第一章第二节太阳和太阳系1(太阳)

1、第一章地球的宇宙环境恒星和星系恒星和星系太阳和太阳系太阳和太阳系天体的起源和演化天体的起源和演化第二节太阳和太阳系太阳太阳太阳系太阳系一、太阳u（一）太阳的距离、大小和质量u（二）太阳的热能、温度和热源u（三）太阳的结构u（四）太阳活动及其对地球的影响希腊神话中，太阳神被称为希腊神话中，太阳神被称为“阿波罗阿波罗” 1、太阳的成分（质量）、太阳的成分（质量） 氢氢71%、氦、氦27%，其他，其他2%（碳、氮、（碳、氮、氧等）氧等）2太阳的较差自转太阳的较差自转 -日面不同纬度处以不同速度转动。日面不同纬度处以不同速度转动。太阳的成分与较差自转较差自转较差自转differential rotat

2、ion是指一个天体是指一个天体在自转时不同部位的角速度互不相同的现象。在自转时不同部位的角速度互不相同的现象。较差自转在大多数非固体的天体中存在，比较差自转在大多数非固体的天体中存在，比如星系、恒星、巨型气体行星等等；太阳系如星系、恒星、巨型气体行星等等；太阳系内则有太阳和木星表面出现。内则有太阳和木星表面出现。在太阳赤道附近，太阳每在太阳赤道附近，太阳每25天转一圈，可是天转一圈，可是在极区大概要在极区大概要37天转一圈，这种情况叫做较天转一圈，这种情况叫做较差自转。差自转。1、太阳的距离及其测定u指太阳和地球之间的距离，即日地平均距离。u用天文单位表示： 1天文单位=1日地距离 （Astr

3、onomical Unit），是 一 个 长 度 的 单 位 ， 常 用 A . U . 或 a 表 示 =149597870.5km1496000000kmu测得方法：三角视差法（经典方法）u视差视方向上的差异。u具体：间接方法测得周年视差示意图当地球半径已知时，通过测量当地球半径已知时，通过测量天体的地平视差，推算距离。天体的地平视差，推算距离。测量太阳距离时，距离遥远，测量太阳距离时，距离遥远，其地平视察太小，以及技术上其地平视察太小，以及技术上的种种困难，不能直接用这个的种种困难，不能直接用这个方法。于是，天文学上通过对方法。于是，天文学上通过对某个小行星距离的测定，来推某个小行星距离

4、的测定，来推算太阳的距离。算太阳的距离。地平视差：地平视差：P56把太阳对地球的距离把太阳对地球的距离 a 的测定，同太的测定，同太阳对另一天体（距离地球较近的小行阳对另一天体（距离地球较近的小行星）的距离星）的距离 a1 的测定联系起来。的测定联系起来。u日地距离的测定原理日地距离的测定原理：运用三角视差法三角视差法或雷达测距雷达测距法法，uA、先测出近地行星或小行星距日的距离（视差法）距离（视差法）；uB、再测出行星和地球的绕日公转周期（绕日公转周期（T），依据开普勒行星运动第三定律开普勒行星运动第三定律，便可求得日地的距离。 开普勒第三定律任何两个行星绕太阳公转的周期的平方之比，等于它们

5、与太阳的距离的立方之比.223323 =TaaTTaaT地地地地行行行行即周期测量周期测量比较简单比较简单联解方程 = aamana行地行地（此值测定方法可用三角视差法、雷达测距法）（此值测定方法可用开普勒第三定律）1A.U=1.496108Km（1）半径大小）半径大小（R） 视角半径（平均） =1559.6516 线半径 R=Dsin =695990Km 700000Km2、太阳的大小相当于地球半径的相当于地球半径的 109 倍；倍；地球表面积的地球表面积的 12 000 倍；倍；地球体积的地球体积的 1300000 倍倍 . 设:地球质量为m，其公转线速度为V，日地距为R 。则：地球公转的

6、向心力为：太阳地球相互引力为：因为： F引= F向， 所以：故： M= RV2/ /G =1.9891030Kg（ M=333400m ）（3）密度大小）密度大小 平均密度= M/ /V=1.41g/ /cm3 地球平均密度1/4 中心密度=160g/ /cm3 钢锭密度的20倍 表面密度=10-7g/ /cm3（2 2）质量大小）质量大小(M(M)向心力和万有引力向心力和万有引力1、太阳的热能、太阳的热能（1）太阳常数（I I。）在太空距离太阳一个天文单位处 的阳光辐射强度。I。=1.98卡/cm2min=8.16 J/ cm2min（2）太阳辐射功率（W）计算太阳辐射总量 以平均日地距离为

7、半径的球面积（S）: S=4R2 =43.1416(1.4961013 cm)2 S=2. 812 1027 cm2该球面S每分钟获得太阳总能量为W W =S I。= 2. 812 1027 cm2 8.16 J/ / cm2min W =2. 29469 1027 J/ / min W = 3. 8248 1026 J/ /s= 3. 83 1033 尔格/ / 秒相当于每分钟燃烧相当于每分钟燃烧81017吨的优质吨的优质煤所释放的热量。煤所释放的热量。按照太阳目前辐射功率发热，按照太阳目前辐射功率发热， 一个一个月球质量的优质煤可燃烧月球质量的优质煤可燃烧1.5小时，小时，一个太阳质量的优

8、质煤至多可以燃一个太阳质量的优质煤至多可以燃烧烧1500年。年。（3）地球得到的热能Eu即以地球半径为半径的垂直于阳光的大圆接收的热量。 2I。1.74*1017J/Su只需要15分钟，地球上接受到的太阳辐射量就相当于全球一年消耗的能量总和。uE/即可知地球仅能得到太阳总辐射量的/22亿。仅此热量便足以使地球万物生长不息。u根据太阳辐射可推算其表面温度5770（）斯忒藩波耳兹曼定律： 黑体的辐射能力与其绝对温度的次方成正比。黑体的辐射能力与其绝对温度的次方成正比。（式中8.26*10-11卡/cm2m度）求得5770 5500（有效温度）（）根据太阳光谱分析，测得表5700（辐射温度）。 太阳

9、中心的温度约为太阳中心的温度约为15001500万度，远高于其表面温度万度，远高于其表面温度。、太阳温度（表面温度光球温度）3、太阳的产能机制（1）产能机制热核反应（2）太阳的质能转换 质能方程：E = m C2 质能转换：4 摩尔 H 的质量= 4 1. 0078克=4. 0312克1 摩尔He的质量= 4. 0015克4 摩尔的H 参加核反应后的质量损耗 mm =4. 0312 - - 4. 0015=0. 0276克变为辐射能质能当量：E=mC2 = 0. 0276克( (31010厘米/ /秒) )2 E=2. 484 1019 （尔格）（3）太阳寿命问题u质量亏损对太阳影响不大 根据

10、太阳辐射的总能量可由根据太阳辐射的总能量可由求得对应求得对应的质量损失的质量损失400400万万T/ST/S，但太阳总质量为，但太阳总质量为2 2* *10102727，影响甚微。，影响甚微。u核燃料减小的影响 当太阳内部的大量转化为当太阳内部的大量转化为e e时，时，e e的反应便停止了，太阳也会进入新的演化阶段。但的反应便停止了，太阳也会进入新的演化阶段。但目前太阳内部的是极大量的，目前的状态还可维目前太阳内部的是极大量的，目前的状态还可维持持5050亿年。亿年。返回返回（三）太阳的结构（三）太阳的结构太阳是个炽热的等离子气态球体，其分层无明显的界线。为了研究方便，将太阳大致分成内三层（核

11、反应区、辐射区和对流区）和外三层（光球、色球和日冕）。太阳内层无法直接观测，只是一种理论模式（图2.6）。对流区对流区辐射区辐射区核反应区核反应区日冕日冕色球色球光球光球（1 1）核反应区：1/41/4R 占50%M 99%的能量由此产生（2） 辐 射 区: 1/4-1/4-4/ /5 R 占35%M 1%的能量由此产生（3） 对 流 区: 1/4 R 占15% M 1、太阳的内部结构、太阳的内部结构辐射区辐射区氢原子聚变为氦原子。核反应区的能量以X射线和射线向外传送。太阳物质在对流区急速上下翻滚，形成湍流，以物质对流的形式向外传送能量。2、太阳的外部构造、太阳的外部构造 太阳外部的稀薄气体，

12、就是通常所说的太阳大气。按其物理性质的差异，从内到外又依次可划分为： 光球（photosphere）对流层的顶层 色球（chromosphere） 日冕（solar corona）三个同心圈层。（1）光球薄而明亮的太阳大气最低层。 物理性质：厚度500Km；密度10-7；有效温度5770K 光球活动：u米粒组织太阳大气的对流胞（太阳内部对流气团冲击光球产生的图样）。u太阳黑子光球上温度较低（4200K）的黑斑。u光斑比光球背景更明亮的斑块。补图补图2-12 宁静期太阳的米粒组织宁静期太阳的米粒组织太阳黑子（或群）太阳光球和黑子日面黑子动态变化日面黑子动态变化黑子周期（太阳活动周期）太阳活动强弱

13、变化平均约太阳活动强弱变化平均约11年的周期。自年的周期。自1749年年后第一个太阳黑子低值年（后第一个太阳黑子低值年（1755年）规定为太阳年）规定为太阳活动的第一个周期，活动的第一个周期，2017年是太阳活动的第年是太阳活动的第24个个周期。凡是峰值年前后，黑子、耀斑等现象异常周期。凡是峰值年前后，黑子、耀斑等现象异常活跃，是研究太阳的大好时机。活跃，是研究太阳的大好时机。（2 2）色球）色球具有玫瑰红光辉的太阳大气中间层。物理性质：厚度2000104Km；密度10-8；温度色球活动：u日珥在色球层中喷发的气焰u耀斑在色球爆发的明亮斑块（出现在黑子附近）。（3 3）日冕）日冕具有银白色光芒

14、的太阳大气最外层。物理性质：厚度:4-5个 R ；密度:10-9；温度:100万K日冕扩散形成太阳风（从太阳喷发出来的高速粒子流）。 色球亮度仅为色球亮度仅为 光球亮度的光球亮度的1/1001/100 1999.8.11 上世纪末最后一次日全食，在土耳其拍到的色球与日珥。巨大的日珥 补图补图2-16 72-8-7耀斑耀斑 补图补图2-17 耀斑喷焰耀斑喷焰 日冕亮度仅为光球亮度的1/10001999.8.11 日全食日全食时在匈牙利拍到的时在匈牙利拍到的日冕日冕2012年8月31日，日面边缘发生的一场日冕物质抛射。就在此前一个多月，太阳曾经发生过有史以来很可能是最剧烈的太阳风暴，幸好它射偏了，

15、没有命中地球。2013年5月13日，太阳在24小时之内连续爆发出3次X级耀斑。这样的耀斑爆发可能触发更大规模的日冕物质抛射。壮观的太阳日冕壮观的太阳日冕u太阳活动太阳活动是指发生在太阳大气层局部区域的、在有是指发生在太阳大气层局部区域的、在有限时间间隔内的各种物理过程的总称。主要表现为限时间间隔内的各种物理过程的总称。主要表现为太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和太阳射电等太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和太阳射电等变化现象。变化现象。其中，太阳黑子是太阳活动的明显标志明显标志，耀斑是太阳活动最急剧猛烈的形式最急剧猛烈的形式。u太阳活动强弱变化平均约11年的周期。自1749年后第一个太阳黑子低值

16、年（1755年）规定为太阳活动的第一个周期，2017年是太阳活动的第24个周期。凡是峰值年前后，黑子、耀斑等现象异常活跃，是研究太阳的大好时机。（四）太阳活动对地球的影响太阳活动对地球的影响u太阳以电磁波和高能粒子流的形式，向外放射着巨大的能量和物质。太阳的能量流和物太阳的能量流和物质流对地球发生着深刻的影响，它对自然地质流对地球发生着深刻的影响，它对自然地理环境的形成、发展及演化具有决定性的作理环境的形成、发展及演化具有决定性的作用。用。1、太阳风与地球磁层。太阳风与地球磁层。地球周围存在一个偶极磁场，当太阳风等离子体吹向地球时，使地球磁场被太阳风包围，形成地球磁层（图（图2.72.7）。u

17、一方面（好的方面）一方面（好的方面），由于地球磁层的存在，使得太阳风高能带电粒子不能到达地面高能带电粒子不能到达地面，从而保护了地球表面有机体的生存和发展保护了地球表面有机体的生存和发展；u另一方面（坏的方面）另一方面（坏的方面），总有一部分高能带电粒子闯入磁层内，被磁层禁锢在地球高层。通过空间探测器，1958年美国范艾伦发现了包围地球的强辐射带，称为“范范艾伦辐射带艾伦辐射带”。这个强辐射带分内、外两层，像套在地球赤道周围的两个轮胎环子，它对人类冲出地球的宇宙对人类冲出地球的宇宙活动，会造成严重辐射的危害，要注意采取预活动，会造成严重辐射的危害，要注意采取预防措施防措施。 距地面约80-15

18、0km的大气层，在太阳紫外线、x射线、粒子辐射的作用下发生电离，称为电离层。uA、较高的电离E层和Fl层，因太阳短波辐射强烈，电离程度高，自由电子密度大，主要反射短波电波反射短波电波；uB、电离D层，由于太阳短波辐射较弱，电离程度差，自由电子密度小，只能反射长波反射长波。uC、当太阳活动增强太阳活动增强时，会激发电离层大气分子进一步电离，造成离子浓度增高和吸收电波增强离子浓度增高和吸收电波增强。尤其是太阳耀斑爆发后，会引起地球向阳半球面短波信号衰减或中断。短波无线电信号的中断，一般是几几秒钟至几秒钟至几分钟分钟，特别情况下长达半小时至半小时至1 1小时小时以上。 2、对地球电离层的影响对地球电

19、离层的影响。1 1）太阳活动引起地球磁场的不规则变化，叫做“磁磁扰扰”。十分强烈的磁扰现象称为“磁暴磁暴”。ua a、地球上发生磁暴时，磁针失灵，不能正确指示、地球上发生磁暴时，磁针失灵，不能正确指示方向，从而影响野外工作，尤其是磁力探矿。方向，从而影响野外工作，尤其是磁力探矿。ub b、同时，对军事战斗，以及飞机和船舶的定向、同时，对军事战斗，以及飞机和船舶的定向、定位也都带来影响。定位也都带来影响。2）另外，在地球高纬度地区，经常出现一种变幻莫测、美丽壮观的极光极光现象，这也是太阳活动引起的。它主要发生在100-200km的高空，有的高达l000km。下一页3 3、对地磁的影响。、对地磁的

20、影响。太阳磁暴日冕物质喷射日冕物质喷射2013年地球遭遇强大的太阳风暴袭击年地球遭遇强大的太阳风暴袭击近看太阳磁暴磁暴与极光壮丽的极光景观极光形成的理论：极光形成的理论：a、最早认为最早认为是太阳活动发出的高能带电粒子在到达地球附近时，受地球磁场的作用，迫使其沿磁力线方向运动到地球磁极的上空，它们与地球大气中的分子、原子碰撞而发光。b、现代研究认为：现代研究认为：极光是围绕地球的两半球的一种大规模放电过程和表现形式放电过程和表现形式。这种放电过程，是通过太阳风与地球磁层的相互作用来实现的。通过实验，证明极光在南、北极地区同纬度、同时间会一极光在南、北极地区同纬度、同时间会一起出现与消失起出现与消失。西德州上空的北极光西德州上空的北极光华盛顿州上空的北极光北极光和狮子座流星雨返回（1）太阳活动对于中性高层大气的影响a、密度变化：太阳活动的短期变化与大气密度有明显的相关性。大气密度的长期变化周期为11年，显然与太阳活动有关。b、温度变化：温度变化的原因在于太阳远紫外线（小于1000埃）的变化，它使120千米以上的大气电离和加热。4、太阳活动与其他方面的关系（2）太阳活动对近地空间及宇航的影响u太阳活动进入活动峰年时，太阳黑子相对数增加，耀斑爆发、日冕物质抛射等现象频繁出现，太阳活动增强，并且发射出大量高能带电粒子。（3）太阳活动对天气和气候的影响u某些地区气压、温度