宇宙探秘论文

课程结业论文课程名称:宇宙探秘院系专业：北师大物理系物理学学号：201211141928姓名：马宏志天空至尊是太阳太阳的基本结构、活动、结局以及对地球的影响概观【摘要】：太阳是太阳系的中心天体，太阳的结构包括核心、辐射层、对流层、大气层（光球层、色球层、日冕层）等多层结构。太阳活动对地球的影响巨大，黑子，冕洞、耀斑爆发都是显著的太阳活动，对地球的磁场、通讯、气候和人类活动都有很大影响，美丽的极光也是太阳活动的杰作。太阳目前正值壮年，它的未来将何去何从，本文将进行系统简明的探究。通过进行科学的分析，精密的计算，以及应用赫罗图进行分析，并与其他恒星做对比，可知恒星的最终归宿与燃料燃尽之时的质量有关。由于太阳质量不够大，小于钱德拉塞卡极限，所以太阳最终将变成一颗白矮星。【关键词】：太阳大气、太阳活动、引力坍缩、赫罗图、白矮星、【引言】：自古以来人类就十分敬畏太阳，认为它是光明之神。由于缺乏知识，古人对于太阳的认识仅仅建立在在直觉和猜测上，片面而不够深入，托勒密的“地心说”一直占统治地位，认为日月星辰皆绕地球运行。文艺复兴以来，哥白尼提出“日心说”，认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星皆绕其运行，解释了行星运动；伽利略以观测事实支持了“日心说”；开普勒在第谷精确的观测数据的基础上提出了开普勒三定律，打开了近代天文学的大门；牛顿又提出万有引力定律，从本质上揭示了行星的运动，至此确立了太阳的中心地位。近代以来随着科学技术和观测技术的发展，人类的视野已大大超出了太阳系，达到宇宙星际，从而理解了太阳的独特性和普通性。随着大型望远镜的发明，以及光谱学、天文学、物理学的发展，人类对太阳内部结构、太阳活动都有了比较成熟的认识。20世纪以来随着相对论的提出和量子力学的建立，人类对于宇宙的起源、发展和结局做了深入的研究，认识更加透彻。本文是作者在学习宇宙探秘课的基础上，通过查找课外资料，咨询天文学学者写成的，文章在前人研究的基础上，系统地阐述了太阳的基本结构、太阳活动和对地球的影响，并在大量理论和数据支持的基础上对太阳的最终归宿做了大胆的推测，希望能够加深人们对太阳的认识。纯属一家之言，谬误之处，乞请批评指正，以补苴罅漏。在茫茫宇宙之中，太阳是一颗极其普通的恒星，丝毫没有特别之处，但它是太阳系的中心天体，在太阳系内占有主导地位，它是一个巨大炽热的气体球，自诞生起，太阳内部时时刻刻进行着剧烈的核聚变反应，向周围辐射出巨大的光和热。太阳及其行星是约50亿年前星际物质云在自引力作用下逐渐收缩形成的，目前太阳正值壮年。据科学家估计，太阳还将继续燃烧五十亿年左右。太阳的基本概况和结构太阳是太阳系的核心，其直径约为140万千米，是地球的109倍，其体积达到140亿亿立方千米，相当于130万个地球的总和，质量为地球的33万倍，占据了整个太阳系总质量的99%以上。太阳与地球的平均距离月为1.5亿km，其表面的重力加速度是地球的28倍，磁场强度约为地球的100多倍。构成太阳的物质主要是氢和氦，由于内部激烈的核聚变反应，其表面的温度达到5700摄氏度，其内部中心则为1500万度。太阳的结构从内到外依次是核心，辐射层、对流层、光球层、色球层和日冕层，后三者构成太阳的大气。太阳的核反应区只是中心处范围为太阳半径1/4的区域，由于密度很高，所以体积只占太阳总体积1.6%的中心区质量却是整个太阳总质量的50%，在这里每秒钟要燃烧掉6亿吨氢！核心之外到3/4太阳半径的区域是太阳的辐射层，体积占到一半，质量却为太阳总质量的49.9%，由于此处的光子为高能光子，不是人眼所能感受到的可见光，所以人眼将对这一灼热耀眼的球层视而不见。辐射层之外是对流层，这是黑子和米粒组织的发源地。太阳的大气层包括光球层、色球层和日冕层三层。光球层是太阳大气的最底层，厚度约为500km，温度为5770摄氏度，可见光几乎全部来源于此，光谱也在此层形成，我们看到的太阳正是太阳的光球层。光球层是不均匀的，呈现临界昏暗现象,越靠近边缘越昏暗。光球层之上2500km厚度范围是由稀薄、透明的气体组成的色球层，温度一般为4600K到几十万K不等，发出的可见光很少，只有在日全食和Hα中才可见。日冕层是太阳大气的最外层，直径可达太阳直径的几倍至几十倍，温度可达200万摄氏度。日冕层呈羽状结构，气体极为稀薄，亮度极小，和真空差不多，只有借助日冕仪才能见到该层，而且其形状随着太阳活动的强弱而改变。从色球层到日冕层顶部，温度持续升高，达到和太阳核心的温度一个量级，可能跟太阳的磁场作用有关。太阳上很多米粒状的较亮小斑，称为“米粒”，角直径1-3角秒或大小为700-2000km。太阳表面的米粒总数约为370万个。米粒一般比起周围亮10%-20%，温度高100-300K，米粒的寿命约十几分钟。一般认为，米粒是一种对流现象，光球层位于温度较高的对流层上面，热的对流元胞上升，将多余的热量幅射掉后，较冷的气体就分开而沿米粒边缘向下反流回去。米粒和超米粒（2-5万公里，寿命几十小时）除了尺度不同外，产生的部位也不一样，米粒形成的有效深度约400km,即属于光球层的浅对流，而超米粒形成的有效区域约7200km，即属于对流层的深对流。太阳活动实际的太阳并不像我们看到的那样平静而安详，不仅太阳内部时刻进行着激烈的核反应，而且其表面也总是有大规模的太阳活动剧烈地发生着。黑子、耀斑和日冕物质抛射分别是发生在光球层、色球层和日冕层的三中最显著的太阳活动。光球上的黑子是太阳活动最明显的标志之一，黑子产生的周期约为11年。黑子其实并不黑，只是由于温度比周围低，所以看上去显得黑而已。黑子的温度低于光球，温度约4000–4500K亮度约为光球的2/3，大小约10,000千米通常成群出现，黑子有很强的磁场，一般认为黑子是磁场与物质相互作用的产物，迄今为止，作用方式还是个谜。对于黑子的形成，有两种解释。一种解释认为黑子中的强大磁场抑制了光球中的能量传递，使它深处的热量无法向上传到黑子，因而黑子温度低，显得暗；另一种解释认为黑子中的能量通过非辐射传输等多种途径大量向外传播，造成“入不敷出”的状态，因而变得暗黑。黑子的寿命为几小时到几个月。利用黑子在日面的运动可以确定太阳的自转为较差转动。有证据表明：太阳内部是刚体式自转，而太阳外部呈现较差自转，光球显示的较差自转只持续到对流区，而光球以下220,000km处就变为与纬度无关的刚体式均匀自转。通过观测黑子在日面上的位置表明，太阳赤道区自转快，而高纬区自转慢。多数人认为太阳内部有强大电流在流动，流动的电流周围所产生的磁力线像地球磁场的磁力线一样，倾向于沿南北磁极方向分布，随着太阳的较差自转，这些磁力线便会慢慢互相缠绕起来。太阳上一有任何扰动（比如湍流）发生，便会使这种缠绕成的“磁力线管”造成扭转。当磁力线发生扭转时会形成“结”，使那里的磁场强度大大增强，从而磁压也就逐渐增大，当磁压超过电子压和气体压之和时，磁力线管便浮到太阳光球上来，从而形成黑子，黑子处的磁场比周围区域磁场强1000倍左右。耀斑爆发是在色球及低日冕中的一种不稳定现象，跟黑子一样，其周期也为11年。其主要观测特征是，日面上（常在黑子群上空）突然出现迅速发展的亮斑闪耀，其寿命仅在几分钟到几十分钟之间，亮度上升迅速，下降较慢在几秒至几分钟内释放大量的能量（1029—1033尔格）、各种电磁辐射及大量粒子流。耀斑爆发是太阳活动中最激烈的现象，对地球大气及磁场会产生直接的影响。太阳日冕物质抛射时，是指巨大的、携带磁力线的泡沫状物质主要是电子和质子组成的等离子体体，在几分钟至几小时内以每秒几十公里到超过每秒1000公里的速度从太阳向外抛射出来，使很大范围的日冕受到扰动，从而剧烈地改变了白光日冕的宏观形态和磁场位形。日冕物质抛射是日冕大尺度磁场平衡遭到破坏的产物，日冕物质抛射破坏了太阳风的流动，产生的干扰会影响到地球，甚至引发悲剧结果。当抛射物抵达地球时被称为行星际日冕物质抛射，这可能会扰乱地球磁层，压缩向日面和使背日面延伸成尾状。当在背日面的磁层重连结时，它创造出数兆瓦特能量，从地球后方倾入上层大气，在磁极上空与地球大气中的分子原子发生剧烈碰撞，此过程造成特别强的斑驳陆离的极光（常出现在北极的称北极光，在南极则称南极光）。耀斑爆发和太阳风等太阳活动发出的高能带电粒子到达地球附近时带电粒子或强辐射可能干扰电离层，会破坏无线电的传输，影响短波通讯，造成大规模输电网络破坏，导致能量耗损（断电）。带电粒子或强辐射可能击坏卫星和危及宇航员的安全！带电粒子或强辐射可能干扰地球磁场！太阳活动可能引发气候变迁，影响地球上生命的生存！恒星的形成过程恒星是由星际空间的星云收缩形成的，因此有人形象的将星云比喻为恒星的“产房”，其中孕育着数百万颗恒星。产生恒星的基本条件是氢气、引力和漫长的时间。起初，星云中的一小块氢气受热后开始升温，进而引起星云中的其他物质开始发热、升温并发光。尘埃和气体在万有引力的作用下开始聚集，形成巨大的漩涡。在聚集并压缩体积的过程中，由于外界对其做功，被压缩的气体温度会升高。经过数十万年，星云的密度会不断增大，并会形成盘状漩涡，直径超过太阳系。而位于中心的气体，在重力的不断挤压下，形成具有超高密度和温度的球体。随着压力不断增大，由于旋涡物质具有的角动量，导致巨大的气柱从中心喷射而出，喷射气柱直径达几光年，它可以使物质加速，穿越无法想象的距离。而核心的部分，就是年轻的恒星。引力作用持续而强烈，气体和灰尘颗粒被不断吸入，并相互挤压，产生了越来越多的热量，由于中心的热量散发不出去，所以之后的几十万年的时间里，恒星将一直与引力收缩相对抗，年轻的恒星经挤压将变得更亮更热，温度会达到1500万摄氏度。一些气体原子在高温下会发生聚变而释放出更大的能量，经过这些聚变反应，产物会通过相互作用与气体、尘埃等形成更加清晰的球体，一颗恒星就这样诞生了。在今后的数万、数亿、甚至数千亿年，它会一直发光，释放能量。恒星体积相差比较大，但质量差别并不悬殊，质量越大的恒星寿命就越短，质量越小的恒星寿命反而越长。太阳质量属于中等恒星质量，所以估计太阳的寿命为100多亿年。恒星的演化过程由赫罗图分析可知，恒星的演化过程包括主序星演化阶段和晚期演化阶段，主序星演化阶段相比晚期演化阶段时间要长的多，且变化没有后者巨大而显著。目前太阳正处于主序星演化阶段。由于恒星是一个自引力系统，需要内部强大的热核聚变释放能量来与引力收缩相抗衡，保持稳定状态，恒星的一生都在与自身引力相“较量”，但最终还是会败给引力坍缩。恒星在燃烧尽星核区的氢之后，就会熄火，主序星演化阶段结束，这时核心区主要是氦，外围区的物质主要是未经燃烧的氢，核心熄火后恒星失去了辐射的能源，它便要引力收缩，这是一个起关键作用的因素。一个核燃烧阶段的结束，表明恒星内各处温度都已低于在该处引起点火所需要的温度，根据热力学第一定律，引力收缩将使恒星内各处的温度升高，这实际上是寻找下一次核点火所需要的温度，引力收缩将使恒星内各处的温度全面的升高，主序后的引力收缩首先点着的不是核心区的氦（它的点火温度高的太多），而是核心与外围之间的氢壳，氢壳点火后，核心区处于高温状态，而仍没核能源，他将继续收缩。这时，由于核心区释放的引力位能和燃烧中的氢所释放的核能，都需要通过外围不燃烧的氢层就必须剧烈地膨胀，即让介质辐射变得更透明。而氢层膨胀又使恒星的表面温度降低了，在赫罗图上表现为由中央条带向右上方过渡，该过程是一个光度增加、半径增加、而表面变冷的过程，是恒星从主序星向红巨星过渡的阶段。过程进行到一定程度，氢区中心的温度将达到氦点火的温度，于是又过渡到一个新阶段--氦燃烧阶段，将由氦和其他较重元素的核反应维持能源，太阳辐射变得淡化。氦燃烧的产物是碳，在氦熄火后恒星将有一个碳氧核心区氦外壳，由于剩下的质量太小引力收缩已不能达到碳的点火温度，于是它就结束了以氦燃烧的演化，而走向热死亡。此时恒星的剩余质量决定它的最终形态。如果核燃料燃尽时恒星质量小于钱德拉塞卡极限M=1.44M⊙，此后由于太阳内部没有能源来抵制引力坍缩，这就使它的半径大大缩小，密度大大增加，内部的压强极大