《大自然寻真》第4章：剖析太阳各种现象的本质-1 [推广有奖]

《大自然寻真》

第4章 剖析太阳各种现象的本质-1

（第4章共分为2部分上传）

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    太阳是距离我们最近的恒星，是我们认识宇宙的最好窗口。这一章我们将从物理和力学的角度尽量充分和深刻地认识太阳的各种现象，认真解剖这只麻雀。这将很有利于我们再回头去认识整个宇宙，尤其可以使抽象的“核球喷射”的概念逐渐具体化。

4.1  太阳的基本情况

    天体的诞生功能是天体演化中的质变过程。必须认识天体怎样诞生，才可能真正认识天体，进而认识宇宙。只有全流体性质的天体才是开放系统，才可能具有诞生功能（见25.8）。太阳是宇宙中距离我们最近的，全流体性质的天体（恒星），所以，好好认识太阳十分重要。太阳像团火，与地球距离约1.5亿公里，那么遥远我们都不敢用肉眼正视它，可见它的火力是多么强烈。幸运的是利用现代技术已经可以基本看清它的真面目了。图4.1是笔者根据有关资料粗略绘制出来的太阳情况示意图。简言之，太阳实体的半径69.6万公里，是以液体为主的液、汽混合体（在后面的4.12将可得到详细解释），分三层，从里到外依次是日核、辐射区、对流层。太阳实体之外是三个大气层，从里到外依次是光球、色球、日冕。根据有关资料介绍，各个圈层及一些现象的情况大致如下。

       日核──位于太阳的球心部位，其半径约为太阳半径的0.15倍，强烈的热核反应都在这里发生，温度高达1500～2000万度（绝对温度K，下同）。

       辐射区──占太阳半径0.15～0.86倍之间的区域，温度70万度。

       对流层──是太阳实体的最外层，占太阳半径0.86倍以外的圈层，常处于强烈的上下对流状态。

       光球──紧接在太阳实体最外层（对流层）之上，是太阳“大气层”的最低层，厚度约500公里，底部温度6000度，上层温度4500度。

       色球──在光球层之上，是太阳大气的中间层，厚度是光球层的4倍，约2000公里，气体稀薄，底部温度5000度，顶部温度几万度。

       日冕──可视为太阳“大气层”的最外层，它延伸到几倍至十几倍太阳直径不固定，是太阳大气的不稳定层，温度约200万度。

       黑子──产生在光球层中，大黑子直径几万到几十万公里，温度比光球低。

       耀斑──发生在黑子上方，是日面上的强烈爆炸，温度几百万度。

       太阳风──是从日冕顶上喷射出来的高速粒子流，其边界可达海王星公转半径之外4、5倍远的地方（或冥王星公转半径之外3、4倍远，不过冥王星已不算为大行星）。

       日珥──是从色球中吐出来的“火舌”，高度可达几十万公里，温度5000～8000度。

       米粒结构──是从太阳内部上升起来的，均匀分布在光球面上的气团所吹出来的大泡泡，温度比太阳表面约高300度。

2014-4-15 10:03:36 上传 下载附件 (104.56 KB)

图4.1：太阳情况简单示意图（未能完全按实际尺寸比例）

4.2  太阳黑子具体是什么东西

    所谓太阳黑子，根据现代仪器的观测，是指一些直径几万到几十万公里、遮盖在太阳表面并漂移着的大黑点，它们成双成对出现，两者的磁场又完全相反。与地球直径一万多公里相比，太阳黑子显然比地球大得多。虽然人们已经能够像上述那样大致地描述出黑子的外观模样及其表面活动情况，但是它究竟是如何产生的，以及其内部的运动情况怎样？至今都还没有相关资料说明。笔者认为，太阳黑子实际上应该是太阳内部爆发出来的大团黑烟雾。地球的火山爆发也喷出烟雾，但在程度上是无法与太阳的爆发相比拟的。

4.3  太阳黑子为什么会成双成对出现，两者的磁场却完全相反

    太阳内部激烈的热核反应能量积聚到一定时候，也会像地球火山一样通过表面爆发出来而产生出比地球火山更多得多的黑烟雾，这就形成了太阳黑子。太阳球心附近的热核反应相当强烈，所产生的大量气体从日心升冲到太阳表面再喷射出来的烟雾气流既多又凶猛。由普通物理学的知识便可知道，流速越大，压强就越小。由于烟雾是从太阳内部猛冲出来的，冲到太阳表面速度很大，因而压强就比周围的太阳表面大气层中的相对静止空气小得多，所以会将周围的太阳表面空气猛烈吸引到中心气流之中并一起冲向太阳上空。因为太阳也是自转的，所以在太阳上运动的物体也受到科里奥利力的作用。科里奥利力可以改变太阳表面气流的运动方向，使流向中心的气流并非沿着半径直接流进去，而是绕着中心旋转地流进去。于是，从上冲烟雾的远近四周被强烈吸引而辐合过来的水平气流，流到烟雾气流中都变成了高速旋转着的气流。因此，冲出太阳表面又再继续往上猛冲的烟雾，结合了四周辐合旋转流向中心的水平气流之后，也就变成了像地球上的台风或龙卷风一样，既是急速旋转的上升流场，我们正对着它冲出来的方向看去又是圆形的了。再者，由于太阳内部热核反应的结果，既使喷出来的气体、烟雾十分高温，又使它们在冲出太阳表面之前就已经全面发生电离。带着不同性质电荷的物质的异向集聚，又必然使一些烟雾气流带上了正电，另一些烟雾气流却带上了负电。这样，既带了电又急速旋转上升的烟雾气流，实际上就变成了一股强大的螺旋电流，于是也产生了强烈的磁场。带电不同，磁场就跟着不同。一般地说，对电离物质做电荷分离、挑拣工作的地方，肯定位于热核反应的中心区域或者气流排放路径附近，所以，既然在某一地点造成了带正电的烟气喷发出来，那么，在其不远的地方也就必然会形成另一股带负电的烟气喷发出来。这样一来，太阳黑子的出现就必定是成双成对，而两者电场和磁场的性质却完全相反了。经上述分析已经十分清楚，“成双成对出现，两者的磁场又完全相反”的黑子，它们其实都是同一个热核爆发的中心“工厂”在同一时间打造出来的同类异种产物。根据电、磁场之间的关系法则，可以推论出这两个黑子的磁力线平行向上，而且因为性质相反，到了上空肯定就会相互吸引在一起变成马蹄形磁场了。

4.4  绝大多数黑子都出现在太阳中低纬度地带

    为什么绝大多数黑子都出现在太阳中低纬度地带呢？这是因为在星球自转力学原理的作用下（详见第15、16章），太阳内部流体的上升运动主要出现在低纬度地带，这里的温度会比两极附近温度高得多，因此绝大多数黑子都出现在太阳纬度+8～+48度和-8～-48度之间。地球上的台风和温带气旋也差不多都出现在上述纬度范围内。所以说，星球自转流体力学原理，是宇宙学和天文学中广泛适用的十分重要的天体基础原理。

    在太阳纬度+8～-8度之间的赤道附近，按理说温度应该更高，但为什么被排除在黑子出现的范围之外呢？这是因为，纬度+8～-8度的赤道附近的太阳表面几乎与自转轴相平行，流体的水平运动几乎不受科里奥利力的影响，所以无法形成旋涡，因此也就没有黑子形成了。同样道理，地球的这个纬度里面也没有台风或者龙卷风生成。

4.5  太阳耀斑

    一般地说，没有太阳黑子，就不会有太阳耀斑，两者关系密切，情况却不相同。黑子是先兆，是先头兵打前站，耀斑才是主力部队的到来。黑子可以存活上月、上年之久，耀斑却只维持几分钟到几十分钟。黑子是长时间的行军布阵，是量变的表征，耀斑却是短暂的激烈决战，是质变的亮相。地球的火山爆发，一般都先有烟气，后来才有火红的岩浆流淌出来。太阳爆发的道理也一样，总是先出烟气（黑子），一定时间后才有来之太阳深处的浆液和高温气体等。笔者保存了2001年4月初的一些报纸，它们这样报道了当时太阳爆发的情况：“耀斑是太阳表面的激烈爆炸现象，它在几分钟之内可把物体加热到几百万度”。其实，并不是耀斑“把物体加热到几百万度”，而是耀斑本身所包含的就是来自太阳日核附近的高温物质。我们在前面已经指出，太阳实体的广大辐射区内也只有70万度，这说明只有从日心附近才可能喷射出几百万度的物质来。从1500～2000万度的太阳日核附近排放出来的气体因减压而逐渐降温，来到太阳表面后爆发出耀斑时还保持几百万度，这就合情合理了。报纸还报道说：“太阳耀斑是日面上最激烈的活动现象，它放出强烈的电波和X射线，喷发出大量的高能粒子。一个耀斑在十几分钟内就可释放出相当于几十万座大型地球火山喷发的能量”。若不是从太阳深处的爆炸喷发出来，绝无如此强烈的能量和高温。

4.6 日冕与耀斑

    日冕与耀斑可以说不同，但也紧密联系。耀斑主要应该与黑子同类，它们虽强度不同，却都从太阳内部爆发出来，又都是发生在太阳表面的现象。日冕主要应该与光球、色球联系在一起，因为它们都同属太阳“大气层”。但是，日冕与耀斑关系密切，日冕这个太阳大气层的厚度可以随着耀斑的爆发而从几倍增大到十几倍太阳直径；整个太阳大气层的温度也可以变成上高下低的倒挂情况。根据4.1的介绍，在此重新将几个太阳“大气层”的温度放在一起比较一下，就可见到明显的温度倒挂现象：光球是太阳“大气层”底层，底部温度6000度，上层温度4500度；色球在光球层之上，底部温度5000度，顶部温度几万度；日冕是太阳“大气层”的最外层，温度约200万度。

4.7  太阳大气层温度倒挂现象的原因

    从4.6可见，太阳大气上、下层温度与地球大气完全不同，上下温度确是倒挂的。地球人无法靠近太阳去做深度探究，对这种现象至今都迷惑不解，我们用核球喷射论进行分析，道理其实很简单。

    太阳的爆发过程，从我们能见得到的表面现象来说，按顺序应该是，先有黑子，后有耀斑，再有日冕的膨胀。在此我们又把日冕与黑子和耀斑放在一起当成太阳表面的现象进行了比照，这正与4.6的比照法不同。为什么呢？这正说明了日冕的双重性。虽说日冕也属于太阳的大气层，但当耀斑出现的时候，它就变得十分不稳定了，它的表现是与黑子和耀斑紧密联系在一起的。日冕的高度可以是几倍太阳直径，当耀斑爆发时又可以变成高达十几倍的太阳直径，可见它是如何的不稳定。日冕一方面属太阳“大气层”，另一方面又成了与黑子和耀斑相似的太阳表面不断变化着的现象，这就是日冕的双重性了。所以，典型的日冕实际上是在正常的太阳大气圈层之上的某个不固定的地方轮流戴上去的一顶“高帽子”。在经过了耀斑这个主力部队的激烈决战之后，留下了一片非常广阔的战场，那就是突然长高的日冕了。长高了的日冕温度竟然高达约200万度，而太阳实体的广大辐射区内也只有70万度。显然可知，这个200万度完全是从日核中带出来的。太阳深处发生热核反应所产生的气体向外排放而喷出了强大的气流，带出的烟雾（黑子）虽然滚滚向上，但只能在光球（厚度500公里）范围内活动，难以被带到更高的地方。可是，上冲气流借助于耀斑将自己的上冲力增强到了最大限度，抛开了烟雾，冲垮了黑子的马蹄形磁场，带着十分强烈的热气继续上冲，穿过色球（厚度2000公里），又再上冲近千万公里，一直冲至日冕顶部，这才使得长高了的日冕温度高达200万度。显然，日心中的热核爆炸所形成的气流上冲来到太阳表面作为耀斑爆发出来时只保存了几百万度；耀斑中的气体在太阳的大气层──日冕中继续上冲和膨胀又逐渐降温至200万度；色球顶部受到辐射、对流等影响，温度也升至几万度，这些都是顺理成章的结果。正因此，自然就造成了太阳的“大气层”里（光球──色球──日冕）温度倒挂的现象了。另外，从太阳深层向外冲喷出来的气流全部是些高温又高压的气体，到了太阳高空几百万公里以上的日冕范围内，由于周围环境气压低得多，肯定要迅速膨胀，所以将日冕扩展得又高又大，才使太阳在正常的大气圈层之上的某个地方又多戴上了一顶“高帽子”，这都是不难理解的物理变化现象。