第二章　太阳

这个在太阳系中央的，同时也是我们星系中最大的物体当然要首先引起我们的注意。我们看到的太阳是一个发光的球体。于是首先要问的自然是这球体的大小与远近了。我们知道了它的远近以后也就很容易说出它的大小来——这是一个很简单的初等几何问题——我们可以测量出太阳直径在我们视野中的视角，然后只要知道了它离我们的距离，就可以计算出它的直径。精确的计算只是非常简单的三角问题。我们现在精确测量到太阳直径在我们眼中所成角度为32分，这使我们知道太阳离我们的距离是它直径的107.5倍，所以我们将太阳到地球的距离除以107.5就得到它的直径了。

太阳和地球之间的平均距离是14960万千米。用107.5除，我们发现太阳直径约为139万千米，这就是地球直径的约110倍了。这又可推算出太阳的体积较地球大130万倍以上。

太阳的平均密度只是地球密度的1/4，比水的密度约大0.4倍。

太阳质量约为地球的33.2万倍。

太阳表面的重力约为地球表面重力的28倍。假如人可以到太阳上面去，一个常人将有两吨重而被自己的重量压倒。

太阳对于我们异常重要，因为它是光和热的伟大来源。假如没有它，不仅世界要被无尽的黑夜包围，而且在极短时间中将陷于永恒的寒冷。我们都知道在晴朗的夜间，地面会将日间从太阳吸收来的热量又散发回空中去，要比较冷些。如果没有日间的输入，热量就要持续地消失。我们可以想象一下突然失去了太阳的情形：先是失去了绝大多数的光明，月亮和相对明亮一些的行星同时也变得暗淡，以至于我们根本无法发现其存在。而天空则布满平时很难看到的满天繁星——可惜它们却太过遥远而不能给我们带来多少光明和温暧。这时候，你开始觉得有点冷了——或许像冬天的夜。但这仅仅是开始，因为不会再有黎明的到来，气温还是会持续下降，一直到比我们的两极还要寒冷。由于没有阳光，光合作用将停止，植物当然不能生长——不过这已经不再重要了，持续降低的温度很快就会把所有的生物冻死。水是储存热量的很好的容器，所以海洋的温度会降低得慢一点。但是不出几个月，所有的大洋都将变成一个大冰坨子。当温度再持续下降的时候，大气就开始液化，最后地球成为一个银白色的死寂星球——在长达数个世纪的降温之后，地球的温度绝对不会超过2K（零下271.15摄氏度）。

还是让思维回到现实中，看看带给我们温暖的太阳吧。

我们平常看见的太阳表面叫做“光球”（photosphere），这样就不至于和外面的几乎透明的一层以及内部看不见的部分相混淆。肉眼看来，光球好像各部分完全一样，但在加了滤光镜的望远镜中看来，全表面则都有斑点。在更细致的观测下我们发现，这是由于有很多不规则小颗粒布满全光球的缘故。

当我们比较光球各部分的光度时，发现整个圆面的中心比边缘明亮。这种差别不用望远镜也可看出来。只要我们用一块黑玻璃遮住眼睛，或者在傍晚浓厚的霞彩中去望落日，很容易发现，越靠近太阳的边缘亮度就越低，到了圆面的最外边时，光的亮度大约只相当于中央的一半。另外，边缘和中心还有颜色的不同——边缘所发出的光比中心的光更显暗红。

光球就是我们所能观察到的极限，其内部就观察不到了。光球虽然看起来如皮球表面一样光亮，它的密度却只有我们周围空气的万分之一。我们看这一层时还要透过数万千米的太阳“大气”。光球的圆面边上更黑更红的原因是由于这种大气很厚，我们所看到的是“大气”更高更冷的一层，那儿的光也就更弱更红了。

太阳的自转

更精确更细致的观测可以发现太阳跟地球一样也以通过其中心的一根轴为中心自西向东旋转。同地球的情形一样，我们把转轴与表面相交的两点叫做太阳的两“极”，而把在两极中间的那个最大的圈叫做太阳的“赤道”。太阳赤道的自转周期是25.4天，而太阳赤道的长度是地球赤道的110倍，因此它的自转速度是地球的4倍以上了。太阳赤道的自转速度约为每秒2 000米。

这种自转的有趣之处是离赤道愈远的地方自转周期也愈长。在太阳的南北极附近，自转周期约为36天。假如太阳也同地球一样是固体，它的各部分的自转速度就要一致的。因此太阳就绝不可能是固体，至少在表面一层是这样。

太阳赤道与地球轨道平面的夹角是7度。它的方向在我们看起来，春天它的北极背离我们7度，而所看见的圆面中心约在太阳赤道南边约7度；夏天秋天就轮到与此相反的一种情形。

太阳的黑子（sun-spots）

用望远镜观测太阳时，我们常常能看到它的表面有一些黑色的斑点——我们称为黑子。这些黑子都随着太阳自转，也就是利用了这些黑子才更容易定出它的自转周期——在圆面中央出现的黑子在6天以后就会移到西部边上，然后从那儿消失不见；约在两星期以后，如这黑子仍旧存在，它又会在东面边上出现。

黑子的大小有很大的差别，从最好的望远镜中才看得见的微点一直到通过涂黑的玻璃就能用肉眼观测到的大块都有。它们平常都成群出现，有时虽看不见单粒黑子，而它们的集团却可以为肉眼看见。单个黑子有的直径达8万千米，最大的一群黑子竟遮住了太阳表面圆盘的1/6。

图16　带黑子的太阳光球（上）及太阳黑子详图（下）

一群黑子发展下去时，它们都按与太阳赤道平行的圈子展开。从太阳自转方向来说，领头的黑子大半是全体中最大的而且是寿命最长的，往往在别的都消失了以后还存在。一群黑子常常只剩下一些单个的成员。一群中最后生成的也往往很大。黑子中央更暗的部分叫做“本影”（um bra），边上较亮的部分叫做“半影”（penumbra）。在分散的过程中，黑子分裂成一些很不规则的碎片。400年来的太阳黑子的观测（我国对太阳黑子的观测可追朔到《周易》中的“日中见斗”和“日中见沫”，不过确切的记录是在汉成帝河平元年，即公元前28年；西方一直到1611年伽利略使用望远镜时才看到太阳黑子），使我们知道了太阳黑子的频数是有一定规律的，周期约为11年一次。有些年份太阳上面很少黑子，甚至没有。1912年如此，1923年又如此。第二年出现的黑子数目就增多了一些；一年一年增加下去，其顶峰一般出现在5年后。以后又一年一年渐渐减少，直到周期满了才又增加。伽利略时代的人们就发现了这一变化，到了1843年由施瓦布（Schwabe）确立了它们的周期率。

太阳黑子数目改变的周期也是那更普遍的11年循环周期之一，这种周期是太阳与地球上的许多现象都依从的：深红的“日珥”（prominences）在太阳黑子最多时也最常出现；“日冕”（corona）随黑子的增加或减少而改变形状；地球上的“磁暴”（magnetic storm）——扰乱无线电信号传输和毁坏一些精密的电子设备的元凶——也和黑子一同增加强度与发生的频率；“极光”（aurora）也在黑子最多时更频繁而壮观地出现；气候则在这周期中会发生少许变化。

太阳黑子的出现及其周期性很显然与太阳的磁场有关。当前流行的太阳发电机理论试图通过研究太阳对流层中的流体运动和磁场的相互作用，来解释这种周期性以及太阳磁场的维持。1919年拉莫尔（Lamor）提出了太阳发电机的概念。1955年帕克（Paker）提出了自激发电机理论，奠定了湍流发电机理论的物理基础。按照这种理论，太阳黑子出现在磁场很强的太阳活动区，内部的相互作用会产生周期性振荡，并伴随出现表面磁场的细微变化。

太阳黑子的出现还有一条很有意思的规律：黑子并不是散布在太阳的全部表面上，而是在太阳纬度上的某些部分才有。在太阳的赤道上，黑子并不常见，可是离赤道向北或向南就逐渐多了起来，南、北纬15度到20度是黑子出现最多的地方，再远又开始逐渐减少，30度以上就很少出现了，这区域如图17所示。如果我们用一个圆代表太阳，每观察到一个黑子就在相应的地方加一点，若干年后我们就会得到如图17这样的图形了。

图17　太阳黑子的纬度分布

与黑子相反，太阳表面还常常出现一些较光球更明亮的斑点，这些斑点经常在黑子附近出现，这就是所谓的“耀斑”（facula）。

黑子的出现表示太阳上起了极大的风暴。它们很像我们地球上的飓风——只是大了许多倍而已。炽热的气体在太阳旋涡中向上飞腾，到达了比内部压力小得多的光球之后，这些气体就喷发出来，迅速冲出了表面。这样膨胀的结果就使得周围的温度稍微降低了一点，因此也减弱了这一区域的光辉——这就是太阳黑子。其实，菌状旋涡的平顶也还是极热极亮的，看起来稍微暗淡些只是因为跟周围平静的太阳表面相比温度要低了一些的缘故。

地上的包括飓风在内的所有旋涡由于地球的自转，在北半球逆时针方向旋转，在南半球却是顺时针旋转。太阳黑子与之类似，在太阳赤道北的太阳黑子与太阳赤道南的太阳黑子的旋转方向恰恰相反，因此可以看出太阳的自转。但太阳上风暴的情形比地球上风暴的情形更加复杂，因为随从的黑子常常跟领头的黑子有相反的旋转方向，更后出生的黑子的旋向则受之前已经存在的黑子群的影响，更为复杂。

太阳黑子的旋涡中心压力较低，因此附近的气体为其所吸引，在下降时也还是旋转着。这种情形在照片中可以看得很清楚。

100多年前，美国的海尔（Hale）和法国的德朗德（Deslandres）各自独立地发明了太阳单色光照相仪（spectroheliograph）。这是连接在望远镜上的一部分，利用它可以单独给某一特定的元素所发出的光照相，例如钙光或氢光。当利用这种仪器给太阳进行氢光摄影时，拍摄到的“谱斑”（flocculi）相片就从太阳黑子附近的形态分布显出了旋涡的存在。

为了消除大气层对太阳观测的不利的影响，20世纪60年代以来，空间探测器以及各种探测太阳的人造卫星陆续被发射升空，如太阳辐射监测卫星、轨道太阳观测站、国际日地探险者和太阳风年探测卫星等。这些携带了各类精密仪器的卫星对太阳进行了全方位、多角度的研究，其中包括黑子周期现象，并且获得了很多出色的成果。有了这些卫星的帮助，我们可以比较准确地预报太阳黑子和耀斑的爆发，从而避免磁暴对电子设备的损害。

日珥与色球

太阳另一个特别有趣的地方就是日珥。我们在研究这个太阳神秘而美丽的部分时曾经有一段很有趣的历史，不久说到日食时我们将要提到。日珥是从太阳各部分射出来的非常稀薄灼热的大团气体。它们是如此之大，竟使得地球投入其中只能如同一粒沙子投进烛焰一样。它们升起时的速度也非常可观，有时竟高达每秒钟数百千米。它们也同耀斑一样常常在黑子丛生的地带出没，但并不仅限于那些地区。太阳周围的眩目光焰（其实这是由我们地球大气层的折光效果所造成的）使它们绝不可能为肉眼所见，甚至用正规的天文望远镜也不能看见——除非碰到日全食，因为月球的干涉才消去那一层光焰。那时它们就连肉眼也能看见，仿佛是从黑暗的月亮的边上投射出来的火焰。

日珥有两种：一是爆发日珥，一是宁静日珥。第一种从太阳上升起时像巨大而翻滚的火浪；另一种却似乎静静地悬在上面，像空中的浮云一样。我们不能确定是什么东西支持着它们，但这大概是太阳光的一种排斥力。

光谱的分析告诉我们这些日珥是由氢、钙以及少量其他元素构成的。它们的红色是由于含有大量的氢元素。更进一步的研究又告诉我们，日珥与布满于光球上的薄气层有关。这薄气层就叫做“色球”（chromos phere），因为它有和日珥一样的深红色——从这一点可以得知，同日珥一样，色球由和日珥基本类似的元素组成，其主要成分也是氢。

对于太阳最外层的附属品，应该注意的还有“日冕”。这是只在日全食时才看得见的环绕太阳的柔软的光辉，它从太阳展开的光线之长有时竟超过太阳直径。它是由极端稀薄的气体组成的。在日食一章中我们还会提到它。

太阳风

人们很早以前就发现彗星的尾巴总是背向太阳，于是猜想这大概是从太阳“吹”出来的某种物质造成的，直到1958年才通过人造卫星上的粒子探测器探测到了太阳上有微粒流射出。美国的帕克给它取名为“太阳风”。

太阳风是从太阳大气最外层的日冕向空间持续抛射出来的物质粒子流。这种微粒流是从日冕的冕洞中喷射出来的。

经过长期的观测，我们发现太阳风的主要成分是质子、电子和氦原子核。其中质子约占91%，氦核约占8%，此外还含有微量的电离氧、铁等元素。其密度则随时变化。

太阳风有两种。一种是“宁静太阳风”，它是粒子持续不断地被辐射出来，速度较小，在飞到地球附近时，平均速度约为每秒450千米，粒子含量也比较少，每立方厘米含质子数为1～10个。

另一种太阳风是“扰动太阳风”，它是在太阳活动剧烈时辐射出来，速度比较大。在飞到地球附近时，速度可达每秒2000千米，粒子含量也比较多，每立方厘米含质子数约为几十个。它对地球的影响很大，当它抵达地球时，往往引起很大的磁暴与强烈的极光，同时骚扰电离层，极大地干扰靠电离层反射传播的短波通信。

太阳的结构

现在我们再回顾一下我们所知所见的太阳究竟是什么样子的。

首先是那球体的广大的内部，那当然是我们永远见不到的。

我们肉眼所见的太阳表面是光球——虽然这不是真正的表面，只是球体光度最大的部分。这气层上有一些斑驳的黑子，也会经常产生耀斑。

图18　太阳的结构

在光球的顶上又有一层气体叫做色球，用分光仪在任何时候都看得见，可是直接看却只有在日全食的时候才可以。

从红色的色球喷发出的同样红的火焰叫做日珥。

包围全部的是日冕。

以上是我们所见的太阳。我们知不知道太阳究竟是什么呢？首先，它究竟是固体呢、液体呢，还是气体呢，或者是别的什么形态？

看得见的表面不是固体已由它的自转的性质表明了。我们已知道它的表面上的各部分自转周期是不相同的。而且，它的极高的温度也不能让它是固体或者液体的。许多年来大家都相信太阳内部一定是一大团等离子体——一种具有很多奇妙性质的物质状态——但被太阳巨大的引力压成非常致密的状态——事实上按照物理理论，我们认为理想气体的状态方程仍然适用于太阳内部，所以我们也可以将其看作是气体。

人人都会承认太阳一定是极热的。它能在1.4亿多千米外让我们感受到炎炎夏日的威力，本身当然更是要热极了。这从适当的测算看来也是真的——作为太阳辐射直接来源的光球已有6000摄氏度以上的高温了。

不同方法对太阳表面温度所作的测量都可以得到相同的结果。这些方法都遵循同一个途径——辐射体温度与辐射功率之间是有确定的关系的。譬如说，辐射与温度的4次方成比例。这就是所谓斯特藩定律（Stefan's law）。这定律告诉我们，如果辐射体的温度加倍，它的辐射出的热量就要增大16倍。

假设用一个平底盆盛1厘米深的冷水，让太阳光直射下去。1分钟后，如果没有空气的影响而水又没有热量损失的话，温度计就会读出-水的温度约增高了2摄氏度。

因此，假如有一层1厘米厚的冷水组成的球形的壳，半径恰等于地球对太阳的距离，恰好将太阳围在正中，在1分钟后就会增加上述的温度。既然这一壳层已经将太阳完全包住，那么我们就已经在1分钟内捉住了太阳的全部辐射了。

由这种测算得出从太阳表面的每平方米中都不息地流出6.2万千瓦的能量来。再依据辐射定律，我们又可以由此推算出太阳的温度来。实际上我们不用水盆和普通温度计，却是用一种很精巧的仪器——“太阳热量计”（pyrheliometer）。用这种仪器的观测已在史密森天体物理学天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory）的各个分部进行了许多年了。

因为我们不能看见光球以下的太阳内部，所以要得到一个关于太阳内部情况的明确概念就非常困难。但我们完全可以假定越深处的压力与温度越高。早在1870年美国物理学家莱恩（Lane）就已经计算过太阳内部的温度，他假定里面各处都在一种平衡的状态中。太阳内部每一点上物质的全部重量都完全被下面热气体的膨胀力所支持。问题便是算出内部要热到什么程度才可以使太阳不致被自己的重量压碎。

20世纪30年代，关于太阳及星辰内部的理论成了英国的爱丁顿（Eddington）、詹姆斯（Jeans）、米尔恩（Milne）等人研究的热点。爱丁顿计算出太阳中心的密度约为水的50倍，而温度约为3000万摄氏度至4000万摄氏度。米尔恩推算出来的中心密度与温度比此数目还要大得多。按目前的太阳模型推算，太阳内核的气体被极度压缩，其中心密度是水的150倍，而温度约为1560万摄氏度！

太阳的热源

太阳从它表面上每1平方米倾注出6.2万千瓦的能量。既然知道太阳直径是140万千米，我们就很容易算出它的表面有多少平方米了。这巨大的数目再乘以6.2万，就可得到以千瓦表示的太阳不停散发的全部能量的巨大数目了。当我们想到照地质学家和生物学家的说法，太阳已用与现在同样的强度照耀了5000万年的时候，我们就遇上一个重要而且困难的问题了。

这种辐射能量的来源在什么地方？当然它是直接由光球来的。可是一定还得有新的能量供给不断地到达光球，才能维持不断的辐射。那么，这种使太阳一天一天照耀过了5000万年的、仿佛永不耗竭的内在供给的来源到底是什么呢？

据能量不灭定律，能量不可能无中生有。它可以由这种形态变到那种形态，可是宇宙间能量的总量是不能增加的。除非太阳从外面不断地接收能量，它的储藏一定要按我们上述的比率减少下去。我们完全可以假定这储藏总会有一天完全耗尽，太阳会渐暗下去以至于完全无光。可是太阳一百年又一百年地照耀下去，看起来光辉丝毫未减，这怎么可能呢？

200多年以前，物理学家亥姆霍兹（Helmholtz）曾经创出太阳热的收缩学说，以后的许多年来都被当时的科学家认为是真实的情况。他的观点是：如果太阳半径每年收缩43米，就足够产生一年中由辐射而失去的热量。依这学说，太阳从前是更巨大更稀薄的。按照收缩说，将来太阳将会紧密得不能收缩以适应由辐射而来的热的损失。几百万年以后，它将会冷得不能再维持地球上的生命。

这种收缩学说画出了一幅暗淡的远景，它显示了生物世界的末日只在很短的时期以后——至少照天文学尺度说来是很短的。但在19世纪初，收缩说遇到了强烈的反驳——不论从多大的体积收缩到现在这样，太阳照现在这样发光率，只要2000万年多一点就足够得到充分的热量了。但依这比率它却一定照得比这时期更长得多的，于是收缩说就不能解释太阳在过去如何维持辐射了。因此对于这理论对将来的预言，我们也就不能抱多大的信任。而且事实上太阳的逐渐收缩又绝无确切的证明，因此就渐渐被人们所抛弃了。

20世纪初，随着相对论以及核物理学的发展，人们认识到太阳和恒星的能源来自于核能的释放。光谱观测的结果表明，恒星物质内部氢的含量相当丰富，而氢又是很好的产能原料。当氢在高温和高压下聚变成氦时，会有巨大的核能释放，因此可以维持太阳和恒星向外辐射达数十亿年之久。

1926年，英国剑桥大学著名的天文学教授阿瑟·爱丁顿（A.Edington）爵士出版了他的《恒星内部结构》一书，这是一部关于恒星内部情况及其物理特性的卓越著作。爱丁顿认为，太阳通过重力把物质聚集在一起，重力将物质拉向中心。由于太阳内部高温的气体产生的压力与重力方向相反，它将物体向外推出，这两个力互相平衡。达到这平衡点时，由经典力学和热力学原理，我们可以算出恒星的中心温度将达到4000万摄氏度左右。爱丁顿认为在这样的温度下，氢核会发生聚变，为太阳和恒星提供强大的辐射能量。

但是爱丁顿的想法遭到了物理学家们的竭力反对。他们认为要真正实现这一聚变，温度应达到几百亿摄氏度，而4000万摄氏度太低了，不足以克服原子核之间极其强大的电磁力。但是美籍俄裔核物理学家和宇宙学家乔治·伽莫夫（G.Gamow）的工作证明了物理学家们的猜测是错误的。

伽莫夫认为，虽然镭核内的粒子受到核力的约束，但按照现代量子理论，它们并非不可能分裂出α粒子来的，尽管发生这种过程的概率很小。镭核中的粒子被核力所束缚，就好像有一座堡垒从外界将它们包围住一样，粒子的能量不足以越过这座堡垒而跑到外边去。量子力学却认为，核内的粒子在偶然间可以不从堡垒的上面越过去，而是从穿过堡垒的一条隧道中通过。人们把这种现象形象地说成是“量子隧穿”。伽莫夫进一步指出，假如粒子能够由内向外穿过堡垒，那么，粒子也应该能够由外向内穿过它而进入原子核内。

1929年，英国天文学家罗伯特·阿特金森（R.Atkinson）和德国核物理学家弗里茨·豪特曼斯（F.Houtermans）合作，发表了一篇题为《关于恒星内部元素结构的可能性问题》的文章，将伽莫夫的量子隧穿理论应用到恒星内部能量的问题上。他们认为：恒星内部的质子和质子也可以通过“隧道”越过势垒很高的堡垒，接近到可以发生聚变的距离之内，进行轻核聚变而释放出巨大的能量。这样，他们就成功地解决了在较低温度下使氢聚变为氦来实现太阳的能量需求。由于这种反应是在数千万摄氏度下进行的，他们就把这种反应称为“热核反应”。

天文观测表明，太阳核心的物质处于等离子态，完全适合于热核反应的物理条件。那么，太阳和恒星内部的氢是怎样聚变为氦的呢？1938年，美国核物理学家汉斯·贝特（H.Bethe）和查理斯·克里奇菲尔德（C.L.Critchfield）发现了氢直接变为氦的反应机制，称为“质子—质子循环”。在这一反应中1克氢将释放6700亿焦耳的核能，这些核能迅速转化为热能，并通过对流和辐射向太阳的外层空间输送出去。

贝特又和德国的弗里德里希·冯·魏茨泽克（F.V.Wetabckor）各自独立地找到了由氢转变为氦的“碳循环”机制。现代天文观测表明，太阳的能量98%来源于质子—质子循环，2%来源于碳循环。贝特也因该理论的创立而获1967年度诺贝尔物理学奖。

太阳的演化

现代的观测表明，太阳已有50亿年的历史。它是一个典型的中等质量恒星，正平稳地燃烧着自身的核储备，并把氢转变为氦。现在人们对恒星演化的知识逐渐完善，并勾勒出太阳的生命历程。

幼年阶段，原始星云在自身引力作用下不断收缩，密度不断增大，温度不断升高，历时数千万年形成原始太阳。

青年阶段，太阳位于非常稳定的主星序（参看“恒星”一编），按照观测得到的氢和氦的丰度估计，太阳还可以生存50亿年之久。今天的太阳正处在它的鼎盛时期。

中年阶段，约持续10亿年时间。当热核反应的燃烧圈接近一半太阳半径时，将会难以支持太阳自身的巨大引力，中心将会塌缩，这个塌缩过程中所释放的巨大能量使太阳的外部大幅膨胀，这时的太阳体积很大，密度很小，表面亮度很高，演化为一颗红巨星。太阳直径将扩大到现在的250倍，连地球都将被吞没。

老年阶段，太阳转变为一颗脉动变星，终于，内部核能耗尽，整体发生坍塌，内部被压缩成一个密度很高的核心，冷却后形成一颗白矮星，并长久地留在宇宙中。