原 子

最 簡 單 的 原 子 為 氫 原 子 ， 它 的 核 心 只 有 一 顆 質 子 ， 化 學 上 記 為 ¹H 。 其 他 在 天 文 學 上 重 要 的 原 子 包 括 ： 核 心 由 一 顆 中 子 及 一顆 質 子 組 成 的 ²H ( 上 標 的 數 字 2 是 質 子 和 中 子 的 數 目 總 和 ) 、 兩 顆 質 子 和 一 顆 中 子 組 成 的 ³He 和 由 中 子 及 質 子 各 兩 顆 組 成 的 ⁴He ( 請 參 閱 上 圖 ) 。

太 陽 的 外 部 結 構

鳴 謝﹕ NOAO/NSF.

太 陽 的 半 徑 大 約 有 700,000 公 里 ﹐ 是 地 球 的 110 倍 ， 質 量 則 大 約 有 2x10³⁰ 千 克 ﹐ 約 為 地 球 的 3.3x10⁵ 倍 。 當 我 們 望 向 太 陽 ， 看 到 是 太 陽 的 光 球 層 ， 這 是 太 陽 大 氣 中 非 常 薄 的 一 層 ， 厚 度 只 有 500 公 里 。 我 們 可 以 看 見 光 球 層 ， 原 因 是 它 的 氣 體 密 度 剛 剛 好 ， 在 它 之 下 的 氣 體 密 度 太 大 ， 光 線 不 能 通 過 ； 在 它 之 上 的 氣 體 則 足 夠 稀 薄 ， 能 讓 光 球 層 發 出 的 光 線 順 利 通 過 。 所 以 ， 光 球 層 界 定 了 肉 眼 可 見 的 太 陽 「 表 面 」 ， 它 的 溫 度 約 為 絕 對 溫 度 6000 度 。 絕 對 溫 度 是 科 學 界 最 通 用 的 溫 度 單 位 ， 只 要 將 它 減 去 273 ， 便 可 轉 化 為 攝 氏 度 ， 例 如 絕 對 溫 度 300 度 ， 相 等 於 攝 氏 27 度 。 絕 對 零 度 是 低 溫 的 極 限 ， 沒 有 任 何 物 體 可 以 更 冷 。

光 球 層 之 下 的 氣 體 溫 度 比 光 球 層 高 ， 就 好 像 沸 騰 的 水 ， 底 層 的 氣 體 會 向 上 升 ， 當 這 些 熾 熱 氣 體 把 能 量 釋 放 後 ， 便 會 變 冷 變 暗 ， 然 後 沉 降 回 光 球 層 之 下 ， 這 種 對 流 運 動 產 生 了 稱 為 米 粒 組 織 的 太 陽 表 面 特 徵 。 通 過 望 遠 鏡 ， 我 們 可 以 看 到 太 陽 表 面 上 有 很 多 被 較 暗 區 域 圍 繞 的 光 斑 ， 每 一 個 米 粒 約 能 維 持 二 十 分 鐘 ， 大 小 則 約 為 地 球 的 十 分 之 一 。

鳴 謝﹕ NASA.

在 光 球 層 之 上 ， 是 一 層 約 為 二 千 公 里 厚 的 色 球 層 。 它 的 溫 度 比 光 球 層 更 高 ， 很 多 時 為 10⁵ 度 。 有 趣 的 是 ， 它 相 對 來 說 比 光 球 層 暗 ， 所 以 通 常 只 能 在 日 全 食 時 才 能 看 見 它 。 色 球 層 並 不 是 渾 圓 的 ， 而 是 有 很 多 稱 為 針 狀 體 的 細 小 突 起 ， 這 些 都 可 以 在 下 圖 清 楚 看 到 。

鳴 謝﹕ NASA.

日 冕 是 太 陽 大 氣 的 最 外 層 ， 和 色 球 層 相 類 ， 亦 是 通 常 只 能 在 日 全 食 時 才 看 得 見 。 日 冕 密 度 非 常 低 ， 但 範 圍 可 延 伸 至 達 太 陽 半 徑 十 倍 之 遠 ， 溫 度 更 高 達 10⁶ 度 。 為 甚 麼 日 冕 和 色 球 層 的 溫 度 可 以 比 光 球 層 更 高 ， 仍 是 天 文 學 上 一 個 未 解 之 謎 。

鳴 謝﹕ 香 港 太 空 館 , 葉 賜 權 攝 影.

日 冕 亦 是 太 陽 風 的 源 頭 ， 太 陽 風 主 要 是 飛 離 太 陽 的 質 子 和 電 子 ， 當 太 陽 風 強 勁 的 時 候 ， 在 地 球 兩 極 有 可 能 看 見 極 光 。

太 陽 黑 子 及 其 他 太 陽 活 動

鳴 謝﹕ NOAO/NSF.

	版 權 所 有 Carnegie Institution of Washington.

太 陽 黑 子 是 太 陽 的 黑 暗 區 域 ， 溫 度 只 有 約 4000 度 ， 由 於 相 對 來 說 它 們 比 光 球 層 其 他 地 方 「 冷 」 ， 產 生 的 光 亦 較 少 ， 所 來 看 來 較 暗 。 它 們 的 大 小 足 以 和 地 球 匹 敵 ， 很 多 時 黑 子 是 整 群 出 現 的 。

黑 子 生 命 短 暫 ， 只 有 少 於 數 天 至 約 三 星 期 的 壽 命 。 太 陽 黑 子 的 多 寡 變 化 有 一 個 十 一 年 的 周 期 ， 在 周 期 之 始 ， 黑 子 基 本 上 出 現 在 緯 度 較 高 的 地 方 ( 即 離 太 陽 赤 道 較 遠 ) ， 接 著 太 陽 黑 子 數 目 會 不 斷 增 多 ， 並 且 會 向 赤 道 靠 攏 。 假 若 我 們 以 圖 顯 示 黑 子 位 置 與 時 間 的 關 係 ， 便 會 得 出 著 名 的 「 蝴 蝶 圖 」 。

鳴 謝﹕ NASA.

利 用 光 譜 分 析 ， 科 學 家 得 知 太 陽 黑 子 的 磁 場 相 當 強 ， 比 太 陽 平 均 磁 場 強 上 千 倍 。 黑 子 經 常 成 雙 成 對 出 現 ， 每 對 皆 由 極 性 相 反 的 黑 子 組 成 ， 若 一 個 為 磁 北 ， 另 一 個 必 為 磁 南 ， 由 此 我 們 估 計 每 對 黑 子 皆 由 磁 力 線 所 連 繫 ， 強 大 的 磁 場 牽 制 著 光 球 層 上 的 氣 體 ， 並 阻 止 了 下 層 較 熾 熱 的 氣 體 上 升 至 黑 子 範 圍 ， 結 果 黑 子 比 太 陽 表 面 其 他 地 方 溫 度 較 低 。 最 後 值 得 一 提 的 是 ， 黑 子 的 數 目 和 地 球 的 氣 候 有 微 妙 的 關 係 ， 研 究 顯 示 在 地 球 上 一 次 冰 河 期 時 ， 太 陽 黑 子 的 數 目 異 常 地 少 。

太 陽 的 內 部 結 構

看 不 到 的 太 陽 內 部 可 以 分 為 三 個 部 分 ： 核 心 ( 熱 核 反 應 發 生 處 ) 、 輻 射 層 ( 能 量 以 輻 射 方 式 傳 播 的 區 域 ) 和 對 流 層 ( 能 量 以 對 流 方 式 傳 播 ) 。 我 們 將 會 逐 一 介 紹 它 們 。

能 量 產 生 的 機 制 ： 太 陽 靠 甚 麼 發 光 發 熱 ？ 這 個 問 題 一 直 以 來 引 起 無 數 人 的 好 奇 和 揣 測 。 有 人 提 出 太 陽 的 能 源 來 自 化 學 能 、 重 力 能 等 等 ， 由 於 這 些 能 源 皆 不 可 能 維 持 太 久 ， 終 被 科 學 界 一 一 否 定 。 真 正 的 答 案 是 一 種 稱 為 p-p 鏈 ( 或 質 子 ─ 質 子 鏈 ) 的 核 聚 變 ， 這 種 機 制 包 括 一 連 串 的 核 反 應 ( 有 興 趣 的 讀 者 可 參 考 課 本 較 詳 細 的 討 論 ) ， 但 總 結 果 是 四 顆 氫 原 子 熔 合 為 一 顆 氦 原 子 ， 過 程 中 會 以 發 放 伽 瑪 射 線 ( 光 子 ) 及 其 他 粒 子 的 形 式 釋 放 出 大 量 能 量 。 ( 註 ： 光 子 是 組 成 光 的 粒 子 。 p-p 鏈 產 生 的 其 中 一 種 粒 子 是 中 微 子 ﹐ 它 有 零 質 量 和 不 帶 電 ﹐ 我 們 會 在 第 十 六 章 再 詳 細 討 論 。 )

核 聚 變 要 在 非 常 極 端 的 環 境 下 才 能 發 生 ， 到 目 前 為 止 科 學 家 仍 無 法 在 地 球 的 實 驗 室 內 穩 定 地 製 造 出 所 需 情 況 。 首 先 核 聚 變 需 要 極 高 的 溫 度 ， 讓 氫 原 子 核 能 有 足 夠 的 能 量 克 服 原 子 核 之 間 的 電 排 斥 力 ， 此 外 亦 需 要 極 高 的 密 度 去 增 加 粒 子 碰 撞 的 機 會 ， 所 以 核 聚 變 只 能 在 溫 度 高 達 10⁷ 絕 對 溫 度 的 太 陽 核 心 內 發 生 。

能 量 傳 播 ： 光 子 在 太 陽 核 心 產 生 後 ， 如 何 走 到 太 陽 的 表 面 呢 ？ 光 子 走 了 不 足 一 厘 米 後 ， 便 會 被 其 他 物 質 ( 主 要 是 電 子 和 其 他 原 子 核 ) 吸 收 ， 這 些 物 質 會 把 吸 收 的 能 量 以 多 顆 光 子 的 形 式 釋 放 出 來 ， 這 些 隨 機 向 四 方 發 射 的 光 子 會 較 原 本 的 光 子 有 更 長 的 波 長 ， 亦 即 能 量 亦 較 低 。 這 種 能 量 傳 播 方 式 稱 為 輻 射 傳 播 ， 一 顆 在 核 心 內 產 生 的 光 子 ， 需 要 數 千 萬 年 才 能 以 數 千 顆 低 能 量 、主 要 是 可 見 光 的 光 子 的 形 式 到 達 太 陽 表 面 。

離 核 心 越 遠 ， 氣 體 溫 度 越 低 ﹐ 開 始 變 得 不 透 明 ﹐ 光 子 很 容 易 被 吸 收 ， 輻 射 傳 播 的 效 率 因 而 很 低 ， 因 此 在 太 陽 外 層 ， 對 流 取 代 了 輻 射 成 為 傳 播 能 量 至 太 陽 表 面 更 重 要 的 方 式 。

穩 定 性

第 一 種 向 外 壓 力 是 恆 星 物 質 所 造 成 的 氣 體 壓 力 ， 溫 度 越 高 、 物 質 越 多 ， 氣 體 壓 力 便 越 大 。 第 二 種 向 外 壓 力 是 光 子 所 造 成 的 輻 射 壓 力 ， 這 種 壓 力 亦 會 隨 溫 度 上 升 。

無 論 是 哪 一 種 壓 力 ， 力 量 都 源 自 太 陽 核 心 所 產 生 的 能 量 ， 一 旦 核 心 的 核 聚 變 停 止 ， 恆 星 便 會 開 始 塌 縮 。

太 陽 觀 測

有 兩 種 安 全 的 方 法 觀 測 太 陽 ：

1. 投 影 法 ： 我 們 可 以 利 用 望 遠 鏡 把 太 陽 的 影 像 投 影 在 熒 幕 上 ， 然 後 觀 看 熒 幕 上 的 影 像 。
2. 太 陽 濾 鏡 ： 另 一 個 方 法 是 在 望 遠 鏡 上 安 裝 特 別 設 計 的 太 陽 濾 鏡 ， 以 減 低 太 陽 的 光 度 。 一 般 來 說 ， 鏡 前 減 光 比 鏡 後 減 光 安 全 。

緊 記 ， 以 下 並 不 是 觀 測 太 陽 的 安 全 方 法 ：

1. 以 肉 眼 直 接 觀 看 太 陽 ；
2. 透 過 太 陽 眼 鏡 、 完 全 曝 光 底 片( 俗 稱 盲 片 ) 、 燻 黑 的 玻 璃 或 擺 放 在 目 鏡 上 的 小 型 太 陽 濾 鏡 觀 看 太 陽 ；
3. 觀 看 太 陽 在 水 中 或 墨 水 中 的 倒 影 。