第一章第二節(jié) 太陽和太陽系1(太陽)

1、第一章地球的宇宙環(huán)境恒星和星系恒星和星系太陽和太陽系太陽和太陽系天體的起源和演化天體的起源和演化第二節(jié)太陽和太陽系太陽太陽太陽系太陽系一、太陽u（一）太陽的距離、大小和質(zhì)量u（二）太陽的熱能、溫度和熱源u（三）太陽的結(jié)構(gòu)u（四）太陽活動及其對地球的影響希臘神話中，太陽神被稱為希臘神話中，太陽神被稱為“阿波羅阿波羅” 1、太陽的成分（質(zhì)量）、太陽的成分（質(zhì)量） 氫氫71%、氦、氦27%，其他，其他2%（碳、氮、（碳、氮、氧等）氧等）2太陽的較差自轉(zhuǎn)太陽的較差自轉(zhuǎn) -日面不同緯度處以不同速度轉(zhuǎn)動。日面不同緯度處以不同速度轉(zhuǎn)動。太陽的成分與較差自轉(zhuǎn)較差自轉(zhuǎn)較差自轉(zhuǎn)differential rotat

2、ion是指一個天體是指一個天體在自轉(zhuǎn)時不同部位的角速度互不相同的現(xiàn)象。在自轉(zhuǎn)時不同部位的角速度互不相同的現(xiàn)象。較差自轉(zhuǎn)在大多數(shù)非固體的天體中存在，比較差自轉(zhuǎn)在大多數(shù)非固體的天體中存在，比如星系、恒星、巨型氣體行星等等；太陽系如星系、恒星、巨型氣體行星等等；太陽系內(nèi)則有太陽和木星表面出現(xiàn)。內(nèi)則有太陽和木星表面出現(xiàn)。在太陽赤道附近，太陽每在太陽赤道附近，太陽每25天轉(zhuǎn)一圈，可是天轉(zhuǎn)一圈，可是在極區(qū)大概要在極區(qū)大概要37天轉(zhuǎn)一圈，這種情況叫做較天轉(zhuǎn)一圈，這種情況叫做較差自轉(zhuǎn)。差自轉(zhuǎn)。1、太陽的距離及其測定u指太陽和地球之間的距離，即日地平均距離。u用天文單位表示： 1天文單位=1日地距離 （Astr

3、onomical Unit），是 一 個 長 度 的 單 位 ， 常 用 A . U . 或 a 表 示 =149597870.5km1496000000kmu測得方法：三角視差法（經(jīng)典方法）u視差視方向上的差異。u具體：間接方法測得周年視差示意圖當(dāng)?shù)厍虬霃揭阎獣r，通過測量當(dāng)?shù)厍虬霃揭阎獣r，通過測量天體的地平視差，推算距離。天體的地平視差，推算距離。測量太陽距離時，距離遙遠(yuǎn)，測量太陽距離時，距離遙遠(yuǎn)，其地平視察太小，以及技術(shù)上其地平視察太小，以及技術(shù)上的種種困難，不能直接用這個的種種困難，不能直接用這個方法。于是，天文學(xué)上通過對方法。于是，天文學(xué)上通過對某個小行星距離的測定，來推某個小行星距離

4、的測定，來推算太陽的距離。算太陽的距離。地平視差：地平視差：P56把太陽對地球的距離把太陽對地球的距離 a 的測定，同太的測定，同太陽對另一天體（距離地球較近的小行陽對另一天體（距離地球較近的小行星）的距離星）的距離 a1 的測定聯(lián)系起來。的測定聯(lián)系起來。u日地距離的測定原理日地距離的測定原理：運用三角視差法三角視差法或雷達(dá)測距雷達(dá)測距法法，uA、先測出近地行星或小行星距日的距離（視差法）距離（視差法）；uB、再測出行星和地球的繞日公轉(zhuǎn)周期（繞日公轉(zhuǎn)周期（T），依據(jù)開普勒行星運動第三定律開普勒行星運動第三定律，便可求得日地的距離。 開普勒第三定律任何兩個行星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期的平方之比，等于它們

5、與太陽的距離的立方之比.223323 =TaaTTaaT地地地地行行行行即周期測量周期測量比較簡單比較簡單聯(lián)解方程 = aamana行地行地（此值測定方法可用三角視差法、雷達(dá)測距法）（此值測定方法可用開普勒第三定律）1A.U=1.496108Km（1）半徑大?。┌霃酱笮。≧） 視角半徑（平均） =1559.6516 線半徑 R=Dsin =695990Km 700000Km2、太陽的大小相當(dāng)于地球半徑的相當(dāng)于地球半徑的 109 倍；倍；地球表面積的地球表面積的 12 000 倍；倍；地球體積的地球體積的 1300000 倍倍 . 設(shè):地球質(zhì)量為m，其公轉(zhuǎn)線速度為V，日地距為R 。則：地球公轉(zhuǎn)的

6、向心力為：太陽地球相互引力為：因為： F引= F向， 所以：故： M= RV2/ /G =1.9891030Kg（ M=333400m ）（3）密度大?。┟芏却笮?平均密度= M/ /V=1.41g/ /cm3 地球平均密度1/4 中心密度=160g/ /cm3 鋼錠密度的20倍 表面密度=10-7g/ /cm3（2 2）質(zhì)量大?。┵|(zhì)量大小(M(M)向心力和萬有引力向心力和萬有引力1、太陽的熱能、太陽的熱能（1）太陽常數(shù)（I I。）在太空距離太陽一個天文單位處 的陽光輻射強度。I。=1.98卡/cm2min=8.16 J/ cm2min（2）太陽輻射功率（W）計算太陽輻射總量 以平均日地距離為

7、半徑的球面積（S）: S=4R2 =43.1416(1.4961013 cm)2 S=2. 812 1027 cm2該球面S每分鐘獲得太陽總能量為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 爾格/ / 秒相當(dāng)于每分鐘燃燒相當(dāng)于每分鐘燃燒81017噸的優(yōu)質(zhì)噸的優(yōu)質(zhì)煤所釋放的熱量。煤所釋放的熱量。按照太陽目前輻射功率發(fā)熱，按照太陽目前輻射功率發(fā)熱， 一個一個月球質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)煤可燃燒月球質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)煤可燃燒1.5小時，小時，一個太陽質(zhì)量的優(yōu)

8、質(zhì)煤至多可以燃一個太陽質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)煤至多可以燃燒燒1500年。年。（3）地球得到的熱能Eu即以地球半徑為半徑的垂直于陽光的大圓接收的熱量。 2I。1.74*1017J/Su只需要15分鐘，地球上接受到的太陽輻射量就相當(dāng)于全球一年消耗的能量總和。uE/即可知地球僅能得到太陽總輻射量的/22億。僅此熱量便足以使地球萬物生長不息。u根據(jù)太陽輻射可推算其表面溫度5770（）斯忒藩波耳茲曼定律： 黑體的輻射能力與其絕對溫度的次方成正比。黑體的輻射能力與其絕對溫度的次方成正比。（式中8.26*10-11卡/cm2m度）求得5770 5500（有效溫度）（）根據(jù)太陽光譜分析，測得表5700（輻射溫度）。 太陽

9、中心的溫度約為太陽中心的溫度約為15001500萬度，遠(yuǎn)高于其表面溫度萬度，遠(yuǎn)高于其表面溫度。、太陽溫度（表面溫度光球溫度）3、太陽的產(chǎn)能機制（1）產(chǎn)能機制熱核反應(yīng)（2）太陽的質(zhì)能轉(zhuǎn)換 質(zhì)能方程：E = m C2 質(zhì)能轉(zhuǎn)換：4 摩爾 H 的質(zhì)量= 4 1. 0078克=4. 0312克1 摩爾He的質(zhì)量= 4. 0015克4 摩爾的H 參加核反應(yīng)后的質(zhì)量損耗 mm =4. 0312 - - 4. 0015=0. 0276克變?yōu)檩椛淠苜|(zhì)能當(dāng)量：E=mC2 = 0. 0276克( (31010厘米/ /秒) )2 E=2. 484 1019 （爾格）（3）太陽壽命問題u質(zhì)量虧損對太陽影響不大 根據(jù)

10、太陽輻射的總能量可由根據(jù)太陽輻射的總能量可由求得對應(yīng)求得對應(yīng)的質(zhì)量損失的質(zhì)量損失400400萬萬T/ST/S，但太陽總質(zhì)量為，但太陽總質(zhì)量為2 2* *10102727，影響甚微。，影響甚微。u核燃料減小的影響 當(dāng)太陽內(nèi)部的大量轉(zhuǎn)化為當(dāng)太陽內(nèi)部的大量轉(zhuǎn)化為e e時，時，e e的反應(yīng)便停止了，太陽也會進(jìn)入新的演化階段。但的反應(yīng)便停止了，太陽也會進(jìn)入新的演化階段。但目前太陽內(nèi)部的是極大量的，目前的狀態(tài)還可維目前太陽內(nèi)部的是極大量的，目前的狀態(tài)還可維持持5050億年。億年。返回返回（三）太陽的結(jié)構(gòu)（三）太陽的結(jié)構(gòu)太陽是個熾熱的等離子氣態(tài)球體，其分層無明顯的界線。為了研究方便，將太陽大致分成內(nèi)三層（核

11、反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)和對流區(qū)）和外三層（光球、色球和日冕）。太陽內(nèi)層無法直接觀測，只是一種理論模式（圖2.6）。對流區(qū)對流區(qū)輻射區(qū)輻射區(qū)核反應(yīng)區(qū)核反應(yīng)區(qū)日冕日冕色球色球光球光球（1 1）核反應(yīng)區(qū)：1/41/4R 占50%M 99%的能量由此產(chǎn)生（2） 輻 射 區(qū): 1/4-1/4-4/ /5 R 占35%M 1%的能量由此產(chǎn)生（3） 對 流 區(qū): 1/4 R 占15% M 1、太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)輻射區(qū)輻射區(qū)氫原子聚變?yōu)楹ぴ?。核反?yīng)區(qū)的能量以X射線和射線向外傳送。太陽物質(zhì)在對流區(qū)急速上下翻滾，形成湍流，以物質(zhì)對流的形式向外傳送能量。2、太陽的外部構(gòu)造、太陽的外部構(gòu)造 太陽外部的稀薄氣體，

12、就是通常所說的太陽大氣。按其物理性質(zhì)的差異，從內(nèi)到外又依次可劃分為： 光球（photosphere）對流層的頂層 色球（chromosphere） 日冕（solar corona）三個同心圈層。（1）光球薄而明亮的太陽大氣最低層。 物理性質(zhì)：厚度500Km；密度10-7；有效溫度5770K 光球活動：u米粒組織太陽大氣的對流胞（太陽內(nèi)部對流氣團(tuán)沖擊光球產(chǎn)生的圖樣）。u太陽黑子光球上溫度較低（4200K）的黑斑。u光斑比光球背景更明亮的斑塊。補圖補圖2-12 寧靜期太陽的米粒組織寧靜期太陽的米粒組織太陽黑子（或群）太陽光球和黑子日面黑子動態(tài)變化日面黑子動態(tài)變化黑子周期（太陽活動周期）太陽活動強弱

13、變化平均約太陽活動強弱變化平均約11年的周期。自年的周期。自1749年年后第一個太陽黑子低值年（后第一個太陽黑子低值年（1755年）規(guī)定為太陽年）規(guī)定為太陽活動的第一個周期，活動的第一個周期，2017年是太陽活動的第年是太陽活動的第24個個周期。凡是峰值年前后，黑子、耀斑等現(xiàn)象異常周期。凡是峰值年前后，黑子、耀斑等現(xiàn)象異?；钴S，是研究太陽的大好時機?；钴S，是研究太陽的大好時機。（2 2）色球）色球具有玫瑰紅光輝的太陽大氣中間層。物理性質(zhì)：厚度2000104Km；密度10-8；溫度色球活動：u日珥在色球?qū)又袊姲l(fā)的氣焰u耀斑在色球爆發(fā)的明亮斑塊（出現(xiàn)在黑子附近）。（3 3）日冕）日冕具有銀白色光芒

14、的太陽大氣最外層。物理性質(zhì)：厚度:4-5個 R ；密度:10-9；溫度:100萬K日冕擴散形成太陽風(fēng)（從太陽噴發(fā)出來的高速粒子流）。 色球亮度僅為色球亮度僅為 光球亮度的光球亮度的1/1001/100 1999.8.11 上世紀(jì)末最后一次日全食，在土耳其拍到的色球與日珥。巨大的日珥 補圖補圖2-16 72-8-7耀斑耀斑 補圖補圖2-17 耀斑噴焰耀斑噴焰 日冕亮度僅為光球亮度的1/10001999.8.11 日全食日全食時在匈牙利拍到的時在匈牙利拍到的日冕日冕2012年8月31日，日面邊緣發(fā)生的一場日冕物質(zhì)拋射。就在此前一個多月，太陽曾經(jīng)發(fā)生過有史以來很可能是最劇烈的太陽風(fēng)暴，幸好它射偏了，

15、沒有命中地球。2013年5月13日，太陽在24小時之內(nèi)連續(xù)爆發(fā)出3次X級耀斑。這樣的耀斑爆發(fā)可能觸發(fā)更大規(guī)模的日冕物質(zhì)拋射。壯觀的太陽日冕壯觀的太陽日冕u太陽活動太陽活動是指發(fā)生在太陽大氣層局部區(qū)域的、在有是指發(fā)生在太陽大氣層局部區(qū)域的、在有限時間間隔內(nèi)的各種物理過程的總稱。主要表現(xiàn)為限時間間隔內(nèi)的各種物理過程的總稱。主要表現(xiàn)為太陽黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和太陽射電等太陽黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和太陽射電等變化現(xiàn)象。變化現(xiàn)象。其中，太陽黑子是太陽活動的明顯標(biāo)志明顯標(biāo)志，耀斑是太陽活動最急劇猛烈的形式最急劇猛烈的形式。u太陽活動強弱變化平均約11年的周期。自1749年后第一個太陽黑子低值

16、年（1755年）規(guī)定為太陽活動的第一個周期，2017年是太陽活動的第24個周期。凡是峰值年前后，黑子、耀斑等現(xiàn)象異?；钴S，是研究太陽的大好時機。（四）太陽活動對地球的影響太陽活動對地球的影響u太陽以電磁波和高能粒子流的形式，向外放射著巨大的能量和物質(zhì)。太陽的能量流和物太陽的能量流和物質(zhì)流對地球發(fā)生著深刻的影響，它對自然地質(zhì)流對地球發(fā)生著深刻的影響，它對自然地理環(huán)境的形成、發(fā)展及演化具有決定性的作理環(huán)境的形成、發(fā)展及演化具有決定性的作用。用。1、太陽風(fēng)與地球磁層。太陽風(fēng)與地球磁層。地球周圍存在一個偶極磁場，當(dāng)太陽風(fēng)等離子體吹向地球時，使地球磁場被太陽風(fēng)包圍，形成地球磁層（圖（圖2.72.7）。u

17、一方面（好的方面）一方面（好的方面），由于地球磁層的存在，使得太陽風(fēng)高能帶電粒子不能到達(dá)地面高能帶電粒子不能到達(dá)地面，從而保護(hù)了地球表面有機體的生存和發(fā)展保護(hù)了地球表面有機體的生存和發(fā)展；u另一方面（壞的方面）另一方面（壞的方面），總有一部分高能帶電粒子闖入磁層內(nèi)，被磁層禁錮在地球高層。通過空間探測器，1958年美國范艾倫發(fā)現(xiàn)了包圍地球的強輻射帶，稱為“范范艾倫輻射帶艾倫輻射帶”。這個強輻射帶分內(nèi)、外兩層，像套在地球赤道周圍的兩個輪胎環(huán)子，它對人類沖出地球的宇宙對人類沖出地球的宇宙活動，會造成嚴(yán)重輻射的危害，要注意采取預(yù)活動，會造成嚴(yán)重輻射的危害，要注意采取預(yù)防措施防措施。 距地面約80-15

18、0km的大氣層，在太陽紫外線、x射線、粒子輻射的作用下發(fā)生電離，稱為電離層。uA、較高的電離E層和Fl層，因太陽短波輻射強烈，電離程度高，自由電子密度大，主要反射短波電波反射短波電波；uB、電離D層，由于太陽短波輻射較弱，電離程度差，自由電子密度小，只能反射長波反射長波。uC、當(dāng)太陽活動增強太陽活動增強時，會激發(fā)電離層大氣分子進(jìn)一步電離，造成離子濃度增高和吸收電波增強離子濃度增高和吸收電波增強。尤其是太陽耀斑爆發(fā)后，會引起地球向陽半球面短波信號衰減或中斷。短波無線電信號的中斷，一般是幾幾秒鐘至幾秒鐘至幾分鐘分鐘，特別情況下長達(dá)半小時至半小時至1 1小時小時以上。 2、對地球電離層的影響對地球電

19、離層的影響。1 1）太陽活動引起地球磁場的不規(guī)則變化，叫做“磁磁擾擾”。十分強烈的磁擾現(xiàn)象稱為“磁暴磁暴”。ua a、地球上發(fā)生磁暴時，磁針失靈，不能正確指示、地球上發(fā)生磁暴時，磁針失靈，不能正確指示方向，從而影響野外工作，尤其是磁力探礦。方向，從而影響野外工作，尤其是磁力探礦。ub b、同時，對軍事戰(zhàn)斗，以及飛機和船舶的定向、同時，對軍事戰(zhàn)斗，以及飛機和船舶的定向、定位也都帶來影響。定位也都帶來影響。2）另外，在地球高緯度地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)一種變幻莫測、美麗壯觀的極光極光現(xiàn)象，這也是太陽活動引起的。它主要發(fā)生在100-200km的高空，有的高達(dá)l000km。下一頁3 3、對地磁的影響。、對地磁的

20、影響。太陽磁暴日冕物質(zhì)噴射日冕物質(zhì)噴射2013年地球遭遇強大的太陽風(fēng)暴襲擊年地球遭遇強大的太陽風(fēng)暴襲擊近看太陽磁暴磁暴與極光壯麗的極光景觀極光形成的理論：極光形成的理論：a、最早認(rèn)為最早認(rèn)為是太陽活動發(fā)出的高能帶電粒子在到達(dá)地球附近時，受地球磁場的作用，迫使其沿磁力線方向運動到地球磁極的上空，它們與地球大氣中的分子、原子碰撞而發(fā)光。b、現(xiàn)代研究認(rèn)為：現(xiàn)代研究認(rèn)為：極光是圍繞地球的兩半球的一種大規(guī)模放電過程和表現(xiàn)形式放電過程和表現(xiàn)形式。這種放電過程，是通過太陽風(fēng)與地球磁層的相互作用來實現(xiàn)的。通過實驗，證明極光在南、北極地區(qū)同緯度、同時間會一極光在南、北極地區(qū)同緯度、同時間會一起出現(xiàn)與消失起出現(xiàn)與消失。西德州上空的北極光西德州上空的北極光華盛頓州上空的北極光北極光和獅子座流星雨返回（1）太陽活動對于中性高層大氣的影響a、密度變化：太陽活動的短期變化與大氣密度有明顯的相關(guān)性。大氣密度的長期變化周期為11年，顯然與太陽活動有關(guān)。b、溫度變化：溫度變化的原因在于太陽遠(yuǎn)紫外線（小于1000埃）的變化，它使120千米以上的大氣電離和加熱。4、太陽活動與其他方面的關(guān)系（2）太陽活動對近地空間及宇航的影響u太陽活動進(jìn)入活動峰年時，太陽黑子相對數(shù)增加，耀斑爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，太陽活動增強，并且發(fā)射出大量高能帶電粒子。（3）太陽活動對天氣和氣候的影響u某些地區(qū)氣壓、溫度