第二节 太阳
第二节 太阳
讲到太阳系，其中巨大的中心天体自然是我们首先关注的。太阳是一个发光的球体。首先我们想了解这个球体的大小以及究竟离我们有多远，知道了它与我们之间的距离便很容易得出它的大小。太阳的直径在我们的视野里形成一个视角，通过测量，能够得出这个角度的值，然后只要知道日地距离，就能够通过计算得到太阳的直径。精确的计算是一个很简单的三角问题。目前已经知道太阳视直径在我们的视点处形成的角度是32′，从而得出这个视角到太阳的距离大约是太阳直径的107.5倍。至此，我们若知道日地的距离，只要用这个距离除以107.5，就可以得出太阳的直径。
本节将讲到测定地日距离的几个方法，从而说明如何在天空测量距离。测定结果显示地日距离将近9 300万英里。除以107.5，便得出太阳的直径——86.5万英里。这一结果是地球直径的110倍。由此可以计算出太阳的体积是地球的130万倍。
已知太阳的密度大约仅为地球的1/4，约为水的密度的1.4倍。准确数据如下：
太阳的质量约是地球的33.2万倍。
太阳表面的重力是地球表面重力的27.82倍。人若有可能站在太阳上，一个普通人将重达2吨，并将被自己的体重压垮。
太阳是地球光和热的源泉，因此对我们极为重要。倘若失去来自太阳的光和热，世界不仅将笼罩在无尽的黑夜之中，而且将很快陷入永久的寒冷。众所周知，在晴朗的夜晚，地球表面因为将白天吸收的来自太阳的热量散发到宇宙空间而温度降低。如果失去日常热量供给，热量将持续散失，最终严寒程度将远远超过现在的北极地区。植物将不能存活，海洋将冰冻，地球上所有的生命都将很快灭绝。
我们所看到的太阳表面叫作光球（photosphere）。我们用这个词指称太阳可视的表面，从而与更外层接近透明的部分以及内部无法看到的部分区分开。在肉眼看来，光球完全是均匀一致的。但是用望远镜看，它的表面是斑驳的，可以形象地比作一盘粥。在最佳条件下仔细观察，光球表面布满了不规则的微小颗粒，这是导致光球表面斑驳的原因。
当我们仔细比较光球各处的亮度时，发现圆面的中心比边缘明亮。透过深色玻璃或者在浓雾之中看太阳，即便不用望远镜也能看出这种差别。圆面的最边缘亮度最低，大概只有中心亮度的一半。边缘和中心的颜色也不尽相同，边缘发出的光比中心看起来更加艳丽。
光球是我们能观察到的极限，再内部的部分就看不到了。光球的表面看上去很光滑，像皮球表面似的，不过它的密度很小，只有我们熟悉的空气的1/10 000。我们观测光球时，还隔着太阳的“大气层”，它有几万米厚。我们看到光球的边缘更暗更红，一个原因是那里的大气更厚，但主要还是因为那些区域光球更薄。我们看向太阳的边缘，那里大气更厚、温度更低，发出的光也更微弱更红。
太阳的自转
仔细观察发现，太阳同行星一样也在穿过其中心的轴上自转。描述太阳与描述地球可以使用相同的术语，太阳的轴与其表面相交的两点叫作太阳的“极点”。在两极正中环绕太阳的一圈叫作太阳的“赤道”。自转周期大约是26天。太阳的周长是地球的110倍，那么太阳自转的速度必须比地球的快4倍多才能在周期之内完成自转。在太阳的赤道上，自转速度是1英里/秒。
太阳自转独特之处是赤道处的自转周期比远离赤道的地方的自转周期短。如果太阳同地球一样是固体，那么太阳各处的自转周期应该是相同的。由此可见，太阳不是一个固体，一定是液体或者气体，至少表面是这样。
太阳赤道与地球轨道面的夹角是7°。太阳的方向是这样的，我们进入春季时，太阳的北极背离我们7°，圆面的中心点在赤道以南大约7°。地球上的夏季和秋季，情况则相反。
太阳黑子
用望远镜仔细观察太阳，通常会在其表面看到一个或多个近似黑色的斑点，但也不是总能看到。这些斑点就是太阳黑子，其随着太阳的自转而转动，正是借助它们，太阳的自转周期很容易测定。如果太阳圆面的中心出现一个太阳黑子，6天后，这个斑点将转到西面的边缘，并在那里消失。将近两周后它将在东面边缘重新出现，前提是在此期间它没有消亡。
太阳黑子大小不一。有一些很小，即便用性能好的望远镜也很难看见，偶尔也会出现一个大的，用肉眼透过深色玻璃就可以看到。它们经常成群出现，有时肉眼可以看见一小片成群的太阳黑子而看不到其中单个的。有时候一个黑子的直径就能达到5万英里，最大的黑子群能够将太阳1/6的表面遮住，如图13所示。
图13 高倍率放大后的太阳黑子和耀斑
一团团黑子继续发展，沿着和太阳的赤道平行的圆圈分布。顺着太阳自转的方向看，作为头领的黑子通常是所有黑子中个头最大的，也会是寿命最长的，即使别的黑子都消失了，它依然存在。发展到最后，一群黑子通常只剩一些个体。这些余下的黑子都很大。正常情况下，黑子呈圆形，中间部分比较暗，叫作本影（umbra），周边明亮一些，叫作半影（penumbra）。在消散的过程中，黑子会碎裂成若干形状不规则的碎块。通过对太阳黑子近300年的观测[1]，天文学家发现了一个最重要规律，即太阳黑子的活动以11年为周期发生变化。在某一年份，大约半年时间都看不到黑子。1912年和1923年便是如此。接下来的一年会有少量太阳黑子出现，并且在大约5年内逐年增加。然后太阳黑子的活跃度开始逐年衰减，直至这个周期结束，此后活跃度将再次回升。这些变化痕迹可追溯至伽利略时代，尽管直到1843年施瓦布（Schwabe）才发现太阳黑子的活动是有规律的。
太阳黑子的数量以11年为周期发生变化。在太阳黑子最多的时期，也能经常见到深红色的日珥。随着黑子数量变化，日冕的形状会改变。磁暴是地球上的一种现象，能够使指南针失灵，干扰无线电通信，它的强度和频率也和黑子数量相关。黑子数量最多的时候，极光也更多更绚丽。有一些证据表明气候也受这个周期影响。
关于太阳黑子还有另一个值得注意的规律，即太阳黑子不是在太阳上到处都有，而只在太阳特定的纬度上才有。它们在太阳赤道上相当罕见，从赤道向南北纬15°就多起来。从这两个区域至南北纬20°最为活跃，再远活跃度就下降了，纬度超过30°便一个黑子也见不到了。这些区域如图14中所示，阴影越重的区域活跃度越高。如果我们用一个白球代表太阳，用黑点代表太阳黑子，将数年来看到的每一个黑子都点在白球上，点有黑点的白球看起来就会如图中所示。
图14 太阳上不同纬度太阳黑子的出现频率
我们还时常能在太阳上观测到比光球明亮的小斑点，它们经常出现在黑子附近，叫作耀斑（facula）。(https://www.daowen.com)
出现太阳黑子，意味着太阳上刮起了大风暴。太阳上的风暴和地球上的飓风相似，但是比飓风要大很多倍。温度极高的气体在太阳的旋涡里盘旋向上。到达光球层以后，由于压力大大降低，升腾的气体喷涌出来，在表面流动。这样一来，气体得以冷却，温度降低，亮度也变暗，太阳黑子就这样出现了。事实上，这些呈蘑菇形的旋涡的顶部依然很热很亮，但是和周围没有被气流干扰的地方比起来，就显得暗淡了。
地球自转会影响地球上的飓风，在北半球飓风逆时针旋转，在南半球则顺时针旋转。太阳黑子也受这种规律影响，太阳赤道南北两侧的黑子以相反的方向旋转。这种现象是太阳自转的体现之一。但是，太阳上的风暴比地球上的更加复杂，从观测情况来说，作为头领的黑子和跟随着它的黑子常常旋转方向相反，后续出现的黑子旋转方向可能正也可能反。还有一种现象让人感到惊讶：太阳黑子最少的时期结束后，太阳上的旋涡的方向会翻转。
太阳黑子形成的旋涡中心的气压更低，周围的气体会被它吸引，旋转着下降。在相关照片上能清楚地看出这种现象。
100多年前，有两个人不约而同地发明了太阳单色光照相仪，他们是法国的德朗达尔（Deslandres）和美国的黑尔（Hale）。把太阳单色光照相仪安装在望远镜上，就可以给某种特定元素发出的光拍照，例如钙或氢发出的光。使用它给太阳上的氢发出的光拍照，得到谱斑照片，从照片上能观察到太阳黑子周围存在旋涡。有了这种仪器，不必等待日全食（total eclipse）就可以拍摄日珥，这是太阳边缘像凸起的火焰似的部位。太阳单色光照相仪拍摄的现象可以使用分光仪进行观测，这也是黑尔发明的，曾在世界各地的天文台发挥作用。
日珥与色球
日珥是太阳的另一个明显特征。我们对它的认识有一段有趣的历史，这段历史将在讲述日食时提到。用分光镜可以看到太阳上到处释放出大团白热的蒸汽。蒸汽团体积巨大，若将地球投入其中就好比一粒沙子投入蜡烛的火焰。蒸汽团以巨大的速度喷射而出，有时达到每秒钟数百英里。同耀斑一样，日珥在太阳黑子活跃的区域数量庞大，但并不仅限于那些区域。空气的光反射形成了环绕太阳的光芒，太阳的光芒致使我们完全看不到日珥，甚至用望远镜也看不到，除非出现日全食，太阳的光芒被月亮遮挡的情况下才能看到。此时，日珥好似从黑色的月亮表面升腾起来，用肉眼也能看见。
日珥似乎有两种表现形式：爆发日珥和宁静日珥。爆发日珥就像巨大的成片的火焰从太阳上升腾起来；后者似乎飘浮在太阳上面静止不动，就像飘浮在空气中的云朵。然而太阳周围不存在能够让日珥飘浮在其中的空气，尚不明确是什么支撑着日珥。不过很有可能是太阳光的排斥力，这个问题将在后面的章节涉及。
光谱（spectrum）分析表明，日珥主要由氢气组成，混合了钙和镁蒸汽。正是因为氢气，所以日珥呈红色。对日珥的持续研究发现，日珥与一个气体薄层有关，这个气体薄层叫作色球（chromosphere），包裹在光球上面，其深红的颜色与日珥类似。在日珥中，大部分光线看起来都是氢气的光线；也包含了许多其他物质，比例不等。
最后一个值得一讲的太阳的组成部分是日冕。日冕只有在日全食时才能看到，它是太阳外面的一圈柔和的光辉，是太阳放射出的长长的光线，有时比太阳的直径还长。其确切性质目前尚不清楚。我们将在讲日食时详细讲解。
太阳的构成
现在回顾一下我们所看到和了解的太阳是如何构成的。
首先，这个球体的内部是巨大的，当然也是我们无法看到的。
当我们看向太阳时，我们看到的是这个球体的发光表面，即光球。光球不是真正的表面，而更像是一个几百英里厚的气体层，而这一点我们无法从表面上看出来。这个气体层上还有黑子和从其内部或上面升腾出的耀斑。
光球上面的气体层叫作色球，色球可以用高倍望远镜随时观测，但是只能在日全食的时候直接用眼睛看。
火红的色球生成的同样火红的烈焰叫作日珥。
围绕在整个球体外面的是日冕。
这就是我们所看到的太阳。它究竟是什么呢？首先，它是固体、液体还是气体？
我们已经用自转定律说明太阳不是固体，太阳也不可能是液体，因为其表面散发出的大量热能会在非常短的时间内冷却并使熔融的金属凝固。多年来人们一直认为太阳的内部一定是一团气体，来自其上面的巨大压力将其压缩成液体的密度。有一点毋庸置疑，太阳的温度是非常高的。它距离地球9 000多万英里，仍然能够导致酷热的夏天，可以想象它自身有多么热。从测量结果来看，这种感觉也是正确的。光球是太阳辐射的直接来源，它的温度高达6 000℃。
测量太阳温度有不同的方法，它们得到的结果是相同的。这些方法的依据是辐射体的温度和辐射的功率存在一定的关系。例如，斯特藩定律（Stefan’s Law）告诉我们，辐射的总功率和温度的4次方成正比，也就是说，如果一个辐射体的温度翻倍，辐射出的热量会增大到16倍。
想象一个很浅的盆，底面很平坦，深度为1厘米，即约0.4英寸。向盆底注满水，于是水深为1厘米。将这个注水的盆底暴露在垂直的阳光下。太阳向盆底辐射的热量足以使水温一分钟上升3.5~4℃，或者7℉多一点。
接下来假设有一个水做的很薄的球形的壳，厚度为1厘米，其半径长度等于地球轨道半径，将太阳置于其中心，这个水做的壳将以刚才的速率升温。这个壳吸收的热量便是太阳辐射的全部热量。由此，我们便可以确定太阳每分钟、每天以及每年释放的热量。
通过这种测算可以得出，太阳表面每平方米的区域都在一刻不停地释放出6.2万千瓦的能量。再使用辐射定律，我们可以进一步计算太阳的温度。事实上，在计算太阳的温度时，我们用不到水盆和温度计，我们使用的是一种更加精密的仪器，叫作太阳热量计。多年以来，史密森天体物理学天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory）一直在使用这种仪器观测太阳温度。
我们无法穿透光球直接观察太阳的内部，因此想对太阳内部有一个准确的认识非常困难。我们假设越靠近太阳深处压力越大、温度越高。美国物理学家莱恩（Lane）早在1870年就对太阳内部的温度进行过测算。他假设太阳内部处于一种稳定的状态，太阳上每一个点的重量都能被下部热气的膨胀力完全支撑。他所要做的就是计算出太阳内部要多热才能保证太阳不被自身的重量压碎。
在历史上，多位研究者热衷于进行关于太阳和天体内部的理论研究，例如英国的爱丁顿（Eddington）、詹姆斯（James）、米尔恩（Milne），爱丁顿推算太阳核心的密度大约是水的密度的50倍，温度是3 000万~4 000万℃。米尔恩的计算结果比爱丁顿的还大。
太阳热能的来源
我们已经知道，太阳表面每平方米的区域能释放出6.2万千瓦的能量，也知道太阳的直径，因此可以轻松地计算出太阳的表面积，并能进一步计算出太阳每刻所散发的能量有多么巨大。
根据地质学家和生物学家的研究结果，太阳已经保持这个辐射强度几千万年之久，我们不得不想到一个重要且难解的问题。
太阳的能量从哪里来？首先，是直接从光球层来的。但是，光球必须得到源源不断的新能量才能持续不断地向外辐射。那么，保持太阳日复一日地火热了几千万年，似乎永远不会耗尽的内部能量又是怎么产生的？
根据能量不灭定律，能量不能够凭空产生。能量可以从一种形态变为另一种形态，但是宇宙里总的能量是不会增加的。如果太阳不从外部吸收能量，那么它自身的能量一定会按照我们的计算结果不断减少。我们假设太阳储存的能量将有一天耗尽，太阳会逐渐变暗，直到不再发光。但是太阳日复一日地照耀着我们，并不见变暗。这是怎么回事？
我们不要只设想太阳是从高温度逐渐变冷，也不要把太阳发光想象成太阳内部在燃烧。这种情况不能持久。并且，太阳极高的温度也限制了它燃烧。还有一种假设指出有大量流星掉落到太阳里，会为太阳带来新的能量，从而补充辐射所流失的，但这种说法并不符合事实。落入太阳的流星并没有多到补充上那么大量的能量。而且这类来自外部的补充对内部的影响很小，只有内部维持足够高的温度才能保证太阳不破碎。
物理学家亥姆霍兹（Helmholtz）在200多年前提出一种假说，他认为太阳热能来源于太阳体积的收缩，这种假说在之后的很长一段时间被广泛认可。亥姆霍兹算出，为了提供所散发的热能，太阳的半径需要每年缩小140英尺。按照这种假说来推算，很久以前太阳体积更大、更稀薄。无独有偶，亥姆霍兹的时代，拉普拉斯（Laplace）的假说正盛行，这种假说认为太阳乃至整个太阳系都是由一团稀薄的气体收缩形成的。这种假说描绘了太阳的未来：数百万年以后，太阳变得过于紧密，无法再通过收缩适应热量的损失，那时它的温度降得很低，地球上的生命会失去能量来源。
无疑，拉普拉斯的假说预告了生命的末日，这个可怕的时刻将很快到来——从天文学的角度来说是很快的——那真是一幅了无生机的画面。到了19世纪，拉普拉斯的假说受到质疑，因为不管太阳一开始体积多大，要收缩到现在的大小，按照现在的发光率来算，只要花上2 000万年就可以得到足够的热能了。如此算来，太阳照耀的时间久远得多，拉普拉斯的假说解释不了太阳在更早的时候如何发热。于是，这个假说预告的未来也就不可信了。更何况，人们并没有确切的证据表明太阳在收缩。
后来，人们发现了放射现象，天文学家由此想到，太阳的热能也许来源于太阳内部镭元素或其他元素的裂变。但是这种设想很快就被计算结果推翻了。不过这种思路并没有被彻底堵死，还有人假设太阳上存在比地球上的铀元素更复杂的放射性元素，但当时的研究水平还不足以发现这种元素。
[1]在西方，意大利天文学家伽利略于公元1610年首次发现太阳黑子；而现在公认的世界上第一次明确的太阳黑子记录是公元前28年我国汉朝人观测到的，见《汉书·五行志》：“成帝河平元年三月乙未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中央。”——编者注
