太陽

Sun

太陽在宇宙中,是顆普通典型的、中等大小的恆星。它的質量約為太陽系總質量的99%,直徑約為140萬公里。然而,它所放出的能量之多和射線的熾烈,卻是難以想像的。

太陽的能量

太陽的能量來自於氫核融合反應。在太陽的核心,氫原子核不斷地聚合成氦原子核,釋放出大量的能量。這些能量以光子、電子、質子等形式向外輻射。

光子能量

光子能量主要集中在可見光波段,但它也輻射出大量的紫外線、X射線和伽馬射線。這些射線的能量非常高,可以對人類的生命和財產造成嚴重損害。

根據太陽的表面溫度約為5,500°C,我們可以使用溫度和光子能量之間的關係來估算太陽光子的能量。這可以使用普朗克公式 E = hc/λ,其中 E 是光子的能量,h 是普朗克常數,c 是光速,λ 是光的波長。

將表面溫度換算為熱力學溫度,我們得到約為5780K。將這個溫度代入普朗克公式,假設使用光的平均波長來估算,我們可以得到:

E = hc/λ

其中 h 是普朗克常數(約為6.62607015 x 10^-34 J·s),c 是光速(約為299,792,458米/秒),λ 是光的平均波長。

電子能量

電子能量主要來自於太陽的核融合反應。在太陽的核心,氫原子核不斷地聚合成氦原子核,釋放出大量的能量。這些能量以光子、電子、質子等形式向外輻射。太陽光譜中的光子能量範圍從約1.8電子伏特(eV)到約3.1電子伏特(eV)。太陽的表面溫度約為5,500°C,對應於光子能量約為約2電子伏特。在太陽的核心,溫度更高,約為15,000,000°C,對應於光子能量約為約0.8兆電子伏特(MeV)。

質子能量

質子能量是指在核融合反應中參與氫核融合的質子所具有的能量。在太陽的核心,氫核融合反應以極高的溫度和壓力進行。核融合的主要過程是將四個質子結合形成一個氦核,同時釋放出能量。每個氫核(質子)的質量約為1.67 x 10^-27千克。根據等效質量-能量關係(E = mc^2),其中c是光速,質子的能量約為1.5 x 10^-10焦耳(單位為焦耳)。這個能量量級非常小。

每秒鐘,太陽核心核融合反應產生約四百萬噸的質量能量換算為能量相當於每秒鐘釋放出約3.8 x 10^26瓦特的能量。這個能量輸出相當於將數百萬顆核彈同時引爆,這是一個極其驚人的數字。

除了能量輸出外,太陽也釋放出各種類型的輻射,包括可見光、紫外線、X射線和γ射線。太陽的表面溫度約為5500攝氏度,這使得它放射出大量的可見光,使我們能夠看到它作為一顆明亮的恆星。此外,太陽也釋放出大量的紫外線輻射,但由於地球的大氣層吸收了大部分紫外線,所以對人類的影響相對較小。

以下是太陽釋放能量的一些數據:

  • 太陽每秒鐘釋放的能量約為3.846×10^26焦耳。
  • 太陽每秒鐘向外輻射的光子數量約為10^45個。
  • 太陽的表面溫度約為5500K。
  • 太陽的核心溫度約為1500萬K。

太陽好像是一顆巨大的氫彈,它在慢慢燃燒。 更準確一點,太陽的核心是一個極端高溫和高壓的環境,其中氫核融合成氦核。這種核融合過程是一種連續的、控制良好的反應,而不是一個突然的爆炸。

太陽的質量約為太陽系總質量的 99%,其中大部分是氫元素它的質量更是地球的33萬倍,體積是地球的130萬倍。太陽的能量來自於核聚變反應,也就是氫原子核聚合成氦原子核的過程。這個過程會釋放出巨大的能量,足以維持太陽燃燒數十億年。

太陽黑子

(圖片源: NASA)

太陽的表面有時會出現一些黑斑,這些黑斑就是太陽黑子。太陽黑子是太陽表面溫度較低的區域,其溫度約為太陽表面溫度的 3000-4500K。

黑子是太陽活動的一部分,與太陽磁場的變化有關。它們通常出現在太陽的赤道區域附近,並且往往以成對或群集的形式出現。

太陽黑子的形成和演化與太陽磁場有關。太陽磁場在太陽內部產生並穿越太陽表面形成磁場線圈。太陽黑子通常出現在磁場線圈的交叉點處,因為在這些區域中,磁場可以抑制熱能的傳遞,從而使該區域的溫度降低,形成黑點。大小可以從幾百公里到幾萬公里不等,數量通常每隔 11 年左右達到峰值,然後又逐漸減少。

以下是太陽黑子的一些基本特徵:

  • 太陽黑子的形狀通常是圓形或橢圓形。
  • 太陽黑子的邊緣通常是清晰的。
  • 太陽黑子的中心通常是暗淡的。
  • 太陽黑子的周圍通常有耀斑和日冕物質拋射等活動。

太陽針狀物(spicules)

太陽針狀物(spicules)是太陽上觀測到的一種狹長、噴射狀的結構,通常出現在太陽的色球層(chromosphere)。

太陽針狀物是太陽色球中的高溫、高速度氣體噴射。它們的直徑約為100-500公里,高度可達數千公里。針狀物的形態通常呈現為筆直的柱狀結構,有時會出現彎曲或扭曲。它的形成機制尚不完全清楚,但普遍認為是由於太陽磁場的活動引起的。太陽磁場的活動會導致太陽光球層中的熱氣體被加熱和加速,從而形成太陽針狀物。

太陽針狀物的形狀通常是細長的,因此被稱為“針狀物”。它的顏色通常是白色或黃色,這是因為它們是由熱氣體組成的。其壽命通常只有幾分鐘。

太陽耀斑(solar flares)

Oct 2014 太陽耀斑
(圖片源: NASA)

(圖片源: NASA/SDO/Goddard )

太陽耀斑(solar flares)是太陽上的一種強烈的爆發現象,它釋放出巨大的能量並釋放高速帶電粒子到太空中。

耀斑通常發生在太陽上的活躍區域,這些區域通常與強磁場相關聯。在這些區域,太陽磁場經常發生重組和重新連接,釋放出大量的能量。這些能量以強烈的輻射形式(包括可見光、紫外線和X射線)和帶電粒子的形式釋放出來。它的能量非常巨大,相當於數十個核彈頭爆炸的能量。它們的持續時間通常在幾分鐘到數小時之間。耀斑釋放的能量和輻射可以對地球和太空環境產生重大影響。

耀斑釋放的輻射能量可以干擾地球上的無線通訊和衛星通訊系統。尤其是X射線和紫外線輻射可以影響地球的電離層,引起短時的電離層失常,並對無線通訊和導航系統產生干擾。

太陽耀斑可以分為以下幾種類型:

  • B級耀斑:能量約為 10^25 焦耳
  • C級耀斑:能量約為 10^26 焦耳
  • M級耀斑:能量約為 10^27 焦耳
  • X級耀斑:能量約為 10^28 焦耳

卡林頓事件(Carrington Event)

Richard Christopher Carrington
(圖片源 : solarstorms.org)

根據歷史記錄,1859 年 9 月 1 日上午11點18分發生了一次非常強烈的太陽耀斑,被稱為「卡林頓事件」。

其中最強烈的耀斑由理查·克里斯多福·卡林頓Richard Christopher Carrington)觀測到並記錄下來。卡林頓其後更寫道 :

“我因為驚訝而有些慌亂,我匆忙跑去找人一起觀賞這場景。回來時不到60秒,我驚愕地發現它已經發生了巨大的變化,變得衰弱無比。”

他和他的見證者看著那些白色斑點收縮成微小的點,最後消失不見。

當時是上午11:23。只過了五分鐘。

緊接著在隔天黎明前,全球各地的天空爆發出紅色、綠色和紫色的極光,其燦爛程度甚至能夠輕易地閱讀報紙,就像在白天一樣。事實上,令人驚嘆的極光甚至在接近熱帶緯度的地區,如古巴、巴哈馬、牙買加、薩爾瓦多和夏威夷都能夠觀測到。

更令人困擾的是,全球的電報系統紛紛發生故障。電火花的放電使得電報操作員受到了觸電,甚至引起了電報紙的著火。即使電報員斷開了供電電池,由極光引起的電流仍然使得訊息得以傳輸。

太陽耀斑 1859 年9月
(圖片源: Mr. Carrington, Singular Appearance in the Sun – Harvard.edu)

這個事件被稱為Carrington Event,以紀念首次記錄和研究該事件的卡林頓天文學家。

Carrington Event被認為是迄今為止已知的最強大的太陽風暴之一。它引發了強烈的磁暴和大量的帶電粒子釋放,對地球的磁場和電磁系統造成了廣泛的影響。

該事件導致了當時的電報網絡故障,並在全球範圍內引起了劇烈的極光活動,甚至在中緯度地區也能觀察到極光。

超級耀斑(Superflare)

目前已知最大的太陽耀斑是在2003年發生的,被稱為「超級耀斑」(Superflare)。該超級耀斑發生在2003年10月28日至11月4日期間,並在太陽的一個活躍區域中產生。它釋放的能量相當驚人,估計是普通太陽耀斑的數百至數千倍。根據科學家的估計,這次超級耀斑的能量釋放約為10^32爾格(erg),相當於數十億顆核彈頭爆炸的能量。

日全蝕(Total Solar Eclipse)

(圖片源: NASA)

日全蝕是一種天文現象,當月球完全遮擋太陽光時,在地球上部分地區所能見到的現象。日全蝕只在月球運行至太陽和和地球之間、最接近黃道平面時發生。

日全蝕的遮掩過程通常包括五個主要階段:

初虧 (Partial eclipse)

初虧是在日蝕期間,當月球的東沿與太陽的西沿相切時發生的。這表示月球開始遮擋太陽的部分光芒,日蝕現象正式開始。

在初虧期間,月球的一部分會遮擋太陽,但太陽仍然在部分區域可見。觀測者會看到太陽的形狀被月球遮蓋的一部分,形成一個不完整的圓形或半圓形。

初虧標誌著日蝕的開始,並標誌著月球遮擋太陽的過程的起點。在接下來的時間內,月球將繼續移動,遮擋太陽的部分光芒將增加,直到達到最大遮擋時的日偏食。

食既 (Annular eclipse)

食既是太陽和月球的對位情況,其中月球位於離地球較遠的位置,使其視直徑稍小於太陽。這導致在食既期間,月球無法完全遮掩太陽,形成一個光環狀的太陽周圍。

在食既期間,太陽的外緣仍然可見,形成一個光環,因此也稱為「環食」(Ring of Fire)。這個光環呈現出鑽石的形狀,即太陽光從月球的山谷或裂縫中穿過,形成一個明亮的點,看起來像一顆閃亮的寶石,這種現象就稱為「倍里珠」(Baily’s beads)。

倍里珠是由於月球表面的山峰和山谷造成的。當月球接近遮掩太陽的邊緣時,太陽光會從月球表面的低緯度山谷中穿過,形成一系列亮點,就像珠子在項鍊上一樣。這種效應在食既的開始和結束時最為明顯。

食既是日偏食(Partial Solar Eclipse)和日全蝕之間的一種過渡形式,它在某些地區可能會多次重複出現,但每次的位置和大小都可能有所不同。觀測食既時,仍然需要注意太陽觀測的安全措施,以避免對眼睛造成損傷。

食甚 (Magnitude of eclipse)

食甚是在日蝕期間,當月球完全遮蓋住太陽並且只有日冕可見時發生的。

在食甚期間,月球的直徑正好與太陽的直徑相等,完全遮蓋了太陽的光芒。在這種情況下,只有太陽的外層大氣層,即日冕,可以看到。日冕是太陽大氣層最外層的部分,通常在日蝕期間才能被觀測到。

食甚時,觀測者所在的地區將陷入一片黑暗,只有在太陽周圍出現一個亮白的光環,即日冕。這種現象通常被形容為一個壯觀且令人驚嘆的景象,讓人們能夠看到太陽的日冕結構,包括日冕的形狀、紋理和耀斑等。

生光(Third contact)

生光發生在日蝕期間,當月球的西沿與太陽的西沿相切時。在這種情況下,月球開始移開,露出太陽的一部分光芒,並重新產生鑽石環和倍里珠現象。

月球逐漸移開時,太陽的外緣開始露出,形成一個光環狀的太陽周圍,稱為鑽石環。這個光環呈現出鑽石的形狀,其中太陽的亮點看起來像一顆閃亮的寶石。同時,當月球的山谷和山峰逐漸遠離太陽時,太陽的光線會透過月球的裂縫或低緯度山谷中穿過,形成一系列明亮的點,稱為倍里珠。

復圓(Fourth contact)

復圓發生在日蝕期間,當月球的西沿與太陽的東沿相切時。在這種情況下,月球完全移開,不再阻擋太陽圓盤,日蝕結束。

復圓標誌著日蝕的結束,也代表月球已經完全移出太陽的視線,太陽的光芒再次完全顯露出來。

在復圓期間,觀測者將看到太陽完整的圓盤,月球不再遮蓋其任何一部分。這表示日蝕現象已經結束。