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太阳的内部结构是什么?

虽然我们主要有直接的方法来了解恒星的外部,但我们需要有创造性地去了解光球层或太阳表层以下事物的不透明性质。要做到这一点,我们需要间接的工具,其中之一就是日震学。它包括注意从太阳一侧到另一侧的波的运动,注意多普勒频移,因为它穿过不同的密度区域以及变化的温度条件(Seeds 124-5, Fossat, Hathaway“表面”)。

日震学

我们用日震学研究两种不同类型的波。一种是被称为压力波或p波的高频波,另一种是被称为重力波或g波的低频波。p波主要产生于太阳的对流带,并且在其中移动得非常快。因此,它们并没有揭示太阳的深层,但它们很容易折射出光球层,并返回到太阳内部,在那里,它们的路径由于温度的升高而改变。g波确实揭示了很多关于内部的信息,但很难到达表面。因此,一种类型对我们来说很容易获得,而另一种则更难发现(Fossat, Hathaway“Surface”)。

不同模式的太阳层。

不同模式的太阳层。

判断g波存在的一种方法是观察它们对p波的影响。声波穿过太阳的一侧并返回大约需要24分钟,因此任何偏离这一距离的迹象都可能是在这条路径上遇到了g波。将这些因素考虑在内,就可以找到g波活动的剖面。基于这些发现,它指向一个每周旋转一次的核心,比地表极地或赤道地区(Fossat)快得多。

的核心

关于太阳如何融合物质的讨论当然很有趣,但那是另一篇文章了。相反,我们将在这里用一些概括性的笔触来讨论核心。它是氢聚变成氦的地方,氦的副产品有一天会以光、电子和原子核的形式到达太阳表面。核心的工作温度约为150万K,密度约为每立方厘米150克。地核的外部边界被认为距离中心约17.5万公里,因为这是核聚变基本上结束的地方。在这里,温度是中心的一半,密度约为每立方厘米20克(哈撒韦“太阳”)。

太阳的一些内层。

太阳的一些内层。

辐射区

下一个区域被称为辐射区,距离中心17.5万公里(每立方厘米20克,700万K)到约49万公里(每立方厘米0.2克,200万K)。当物质在太阳内部融合后,粒子的运动以许多复杂的方式发生。位于中心的光子是伽马射线,它们携带着如此多的能量,以至于它们不断地被自由电子吸收和释放。光子的这些不断变化意味着它们到达表面的时间被显著推迟,缓慢地向外辐射。慢慢地如何?一个光子要逃离这个区域可能需要一百万年,这就是碰撞发生的频率(种子128,海瑟薇“太阳”)。

的Tachocline

下一个是斜层,或者说是界面层。这是一个从辐射区到下一层的过渡区,从辐射运动到对流运动的过渡。人们相信,这一层是太阳发电机的来源,或为恒星的磁场提供动力。这是因为观念的巨大变化导致磁力线变得扭曲和曲折(哈撒韦“太阳”)。

太阳对流性质的证明。

太阳对流性质的证明。

对流带

最后一层内层是对流区,从地下20万公里(200万K)到地表(5700 K),在从中心移动一定距离后,温度下降到一个伽马射线光子变成2个x射线光子,这个过程一直持续下去,直到每个伽马射线光子得到大约1800个可见光子。在这一点上,我们缺乏足够的温度来像以前一样辐射,而是开始通过热特性对流材料。在这里,由于温度降低,我们可以让一些较重的离子抓住电子,这意味着我们在这里不容易看到(种子128,海瑟薇“太阳”)。

下面正在发生什么

太阳黑子,太阳表面的部分磁场活动导致冷却,是太阳表面以下发生复杂事情的第一个暗示。这些磁场穿过太阳,但太阳的不同层以不同的速度旋转。最重要的是,太阳的不同纬度也以不同的速度旋转。赤道地区每24天完成一圈,而极地地区每30天完成一圈。所有这些不同的运动导致了有趣的现象,因为正是气体的运动产生了磁场。这种材料高度电离,导电性能很好。当这样的导体快速运动时,发电机效应将部分能量转移回磁场(种子134,夏普,海瑟薇“光球”)

利用日震学,科学家可以确定对流带的底部是我们磁场的起源,这是基于拖拽引起的物质运动减少。太阳黑子对应N/S对磁场,北极在一个半球,南极在另一个半球。这基本上形成了延伸到太阳表面外的磁环。这一切是如何共同作用形成11年周期的仍然是一个谜,但有一个主要的理论(Seeds 134-5, Hathaway“光球特征”)。

这就是巴布科克模型,即磁场在围绕太阳运动时纠缠在一起。自由电子使气体成为导体,在高导电的地方冻结磁场。这些地方可以四处迁移,各种不同的旋转导致场很快变得复杂,对流物质也一样。这种对流可以将磁场带到太阳表面,在那里它们会突然出现,被视为太阳黑子。多年过去后,这些磁场的打结变得如此复杂,以至于它们会与周围的磁场交换配对,导致太阳的磁极翻转。经过两个11年的周期,太阳将会回到它最初的磁场结构(种子135)。

作品的引用

Fossat,埃里克。在太阳内部探测到的引力波揭示了快速旋转的核心。sci.esa.int.欧洲航天局,2017年8月1日。2022年3月3日。

David H. Hathaway著,《光球特征》。Solarscience.msfc.nasa.gov.美国宇航局,2014年8月11日。2022年2月17日。

——“表面波和日震学。”Solarscience.msfc.nasa.gov.美国宇航局,2014年8月11日。2022年3月3日。

——“光球”。Solarscience.msfc.nasa.gov.美国宇航局,2014年8月11日。2022年2月17日。

——“太阳内部。”Solarscience.msfc.nasa.gov.美国宇航局,2014年8月11日。2022年3月3日。

——“太阳黑子周期。”Solarscience.msfc.nasa.gov.美国宇航局,2017年3月15日。2022年2月28日。

《种子》,迈克尔·a·地平线。第十版,汤姆森布鲁克斯/科尔,贝尔蒙特,加州2008年。打印,125 - 5,128,132-5。

锋利,蒂姆。太阳的大气层:光球层、色球层和日冕。Space.com.未来美国公司,2017年11月1日。2022年2月17日。

“SOHO证实了36年的太阳理论。”sci.esa.int.欧空局,2008年4月17日。2022年3月3日

©2022 Leonard Kelley

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