天文科学探索生命之火太阳.ppt

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1、天文科學探索-生命之火太陽太陽結構太陽結構 內部結構：由內到外可分為核心、輻射層、對流層等三大部份。太陽的大氣層：光球層、色球層、日冕與太陽風組成。天文科學探索-生命之火太陽太陽內部結構太陽內部結構 核心(core)：產生核熔合反應太陽的能源。核心約佔總質量50%，半徑的10%，99%能量來源。溫度估計約為15,000,000度，是氫進行質子質子熱核熔合的反應區。核心物質的密度為150 g/cm3，遠高於鐵的密度7g/cm3。氫核融合反應可簡單總結為：4個氫1個氦+能量+2個微中子。能量的形式通常為高能的射線與X射線光子。據現行太陽理論模型 的推測，氫融合產生的能量，須歷經百萬年才傳抵太陽表面

2、，而微中子幾不與太陽內部任何物質起反應，以光速或近光速的速度，離開太陽核心向外傳播。天文科學探索-生命之火太陽太陽內部結構太陽內部結構 輻射層(radiation zone)：能量以輻射的形式傳出。從核心向外到半徑75%的區域稱為輻射層，來自核心的射線與X射線光子，不斷與輻射層內的物質粒子碰撞，被物質吸收再輻射，最後主要以可見光的形式傳達太陽表面，然後才輻射到四面八方。在輻射區內，光子平均每走1公分就與物質粒子碰撞一次，由核心以光的形式向外傳遞的能量，大約需經過一百萬年的掙扎才能扺達太陽表面。輻射區到核心的密度增加很快，半徑為太陽一半的球體含有90%的太陽物質。天文科學探索-生命之火太陽太陽內

3、部結構太陽內部結構 對流層(convection zone)：靠近表面處，厚約15萬公里，以對流形式將能量傳出。輻射區的外圍溫度下降的很快，物質的透明度大為減低，再加上太陽表面的輻射損失，使得上下溫差很大，形成了以湍流為主的強烈對流層。對流層幾乎完全不透明，輻射層傳來的能量，在這一層以對流的方式由高熱氣團帶到表面，表面的較冷氣團則下沉，頗似沸騰狀態的一壺水。對流層厎部的溫度約為一百萬度。在對流層裡來自太陽內部的能量，有之部份轉化為氣流的動能，太陽光球層、色層與日冕的各種活動與噴流皆與對流層有密不可分的關係。天文科學探索-生命之火太陽太陽的大氣層太陽的大氣層 光球層(photosphere)：約

4、500公里厚，溫度約5800 K我們所看到的太陽表面即是光球層。仔細的觀測可看到尺度大小約為1500公里的米粒組織（granulation)，此一結構是由對流所造成的。另外可明顯地看到太陽黑子(sunspots)。地球所見的太陽光譜 主要來自光球層。光球層的底部是濃密的電漿態物質，發射出與其表面溫度相當的熱輻射光譜，在可見光範圍內的強度最大，譜型與5800K的黑體輻射極為相近。經由精密的光譜儀分析太陽連續光譜上的吸收譜線，可辨認出太陽大氣中的主要化學組成，除氫以外尚有鐵、鎂、鋁、鈣、鈦、鉻、鎳、鈉等五十七種元素。天文科學探索-生命之火太陽米粒組織與太陽黑子米粒組織與太陽黑子 天文科學探索-生命

5、之火太陽太陽的大氣層太陽的大氣層 色球層(chromosphere)：沒有明顯的上邊界，太陽的邊緣氣體密度很低，使得此部份的發光強度，只有光球的萬分之一。在日全蝕中，當月面恰好把光球全部遮擋時，才能看到玫瑰色的色球層，而這也是色球層名稱之由來。色球層的溫度隨高度的增加而上昇，由光球層頂部的4200K升至數萬K的高溫。根據升溫的情況，大約可將色球層分成三部份：在厚度約為400公里的厎層，溫度由4200K升到5500K。然後在1200公里的中層，溫度緩慢上升到8000K。在最後約400公里厚的高層溫度急劇升至數萬度，且在不到5000公里的高度裡，過渡到日冕的百萬度以上之高溫。部份色球層的溫度，高於

6、激發氦原子光譜的二萬度，故色球層光譜中，可見到光球層光譜所無的氦原子光譜。天文科學探索-生命之火太陽色球層的玫瑰色澤來自氫原子的H譜線(波長6560埃)，此照片使用只能透過H波長的濾波片拍得。針狀體為射入太陽較高溫的外大氣層之冷噴流。色球層色球層 天文科學探索-生命之火太陽太陽的大氣層太陽的大氣層 日冕(Corona)：厚約太陽半徑的1.3倍，溫度約100萬K。日全食中，當月面將色球遮掩後，可見到圍繞太陽四周有一片淡白色的暈，這就是日冕。日冕物質非常稀薄，其密度約為地球表面大氣的十億分之一，比實驗室能達到的高真空還要低，故只有在日全食時才能觀測到。日冕的溫度非常高，可達二百萬度以上，如此高的溫

7、度，可能是經由儲存在太陽磁場中的能量加熱而成的。天文科學探索-生命之火太陽日冕日冕 照片的上下方為太陽北極、南極。日冕的形狀極不規則，隨太陽活動的強弱變化，每次日食所見的日冕形狀也不相同。赤道附近有許多向外流動的冕流伸向遠處，而在極區有許多纖細羽毛狀的“極羽”，頗似是物質順磁力線排列。另有一些區域日冕物質特別低的地方，稱為日冕洞。日冕的形狀與分佈都和日冕中的磁場分佈有關。天文科學探索-生命之火太陽太陽風(solar wind)：高速的離子氣體(氫離子或稱質子,電子,.)被吹離太陽者被統稱為太陽風。太陽風所造成的質量流失每年約有107 噸，傳播速度約為450公里/秒，由太陽極區流出來的太陽風之速

8、度更可高達750公里/秒。太陽風中的高能粒子吹襲地球表面，對地球的生命與生態環境具有極毀滅性。地球有磁場與大氣的遮蔽，大部份的高能粒子被阻隔在外，少部份在地球的極區使空氣分子游離並發出瑰麗的極光。我國古代對極光的可靠記載有294次，最早見于西元前950年，古今圖書集成曆象匯編庶微典：周昭王末年，夜清，五色光貫紫微。西漢以前的古人將極光視為吉兆，常稱之為神光或神氣。而西漢以後漸將極光視為 凶兆，認為極光是未來戰亂兵災或天災人禍的警示。太陽的大氣層太陽的大氣層 天文科學探索-生命之火太陽太陽能量來源太陽能量來源 核融合(fusion)：太陽（星球）中絕大多數都是氫 11H+11H 21H+e+；2

9、1H+11H 32He+；32He+32He 42He+2 11H 質子-質子的連鎖反應其中 是微中子；是伽瑪射線 一個質子的質量=1.0078 (1.66 10-24)g 四個質子=4.0312 與 一個 4He=4.0026 相比 mass defect(質量損失)=0.0286 質量轉換成能量 E=mc2；E=0.02861.6610-24(31010)2=4.310-5 erg 太陽核心的部份進行核子反應，消耗燃料（氫）以目前的光度能發光 1010（一百億）年 天文科學探索-生命之火太陽太陽活動太陽活動太陽黑子活動的過程中，天文學家發現太陽大氣還有日珥、日閃、日冕凝聚等活動，而這些活動

10、皆與太陽黑子活動有關。在研究太陽的活動時，天文學家用不同的電磁波段來觀測太陽，因為不同波段下所觀測的太陽，告訴天文學家不同的資訊。天文科學探索-生命之火太陽太陽活動太陽活動-太陽黑子太陽黑子 太陽黑子 的主要性質：中心溫度較其他太陽表面低。黑子常成群出現。黑子與太陽磁場的分佈有關。太陽黑子週期約為11 年。太陽的磁週期約為22年。太陽黑子的分佈Maunder蝴蝶圖(Maunder butterfly diagram)天文科學探索-生命之火太陽太陽活動太陽活動-日珥日珥 月全蝕時可觀測到 為巨大的扭曲磁場拖曳著游離的氣體所造成的 變化情形可持續幾小時到幾週或幾個月。天文科學探索-生命之火太陽太陽

11、活動太陽活動-日閃日閃 太陽表面巨大的能量變化情形，在幾分鐘內達到最大，而在不到一小時內消教掉。可輻射出X-光，紫外線，可見光，高速的質子與電子。一巨大的日閃約可放出1025 J2*1015 噸TNT 炸藥。所輻射出的高速粒子是造成地球極光(Auroras)的主因。日閃活躍時，會造成地球通訊的干擾(對客機的乘客造成輻射傷害)。天文科學探索-生命之火太陽太陽活動太陽活動-日冕日冕 太陽的X射線照片，圖上“靴狀的黑影”即為日冕洞，每張照片的間隔是一日 原因:南北極處磁場沒有成迴路，所有的粒子都由此處流出。天文科學探索-生命之火太陽太陽活動太陽活動太陽系精品课件精品课件！太陽系精品课件精品课件！天文科學探索-生命之火太陽