太 陽

4-1 太陽的組成和結構 4-2 太陽的大氣層

4-3 太陽的表面活動 4-4 日地關係（電磁干擾）

4-5 太陽的內部

太陽的表面像什麼？ 太陽是否會自轉？太陽對地球有何影響？

圖4-1 太陽內部進行核融合產生能量，而其表面也有許多活動不斷進行。

4.1 太陽的組成和結構
　

太陽為太陽系的中心天體，其質量約為地球的30萬倍，其化學成份，按質量計，氫佔71%、氦27%及其它重元素佔2%（圖4-2）。太陽擁有巨大引力，使九大行星、衛星和小行星繞著她在銀河系中運行。

圖4-2 太陽的組成元素之質量百分比

太陽是個會自行發光的氣態球體，沒有界線分明的表面，為了討論方便把發出強烈白光，而光線卻無法穿透的球面定義為太陽的表面，也就是我們常看到的太陽盤面，稱之為光球層。由於內部訊息無法傳出，根據理論去推測得知，太陽中心溫度約一千五百萬度，密度為水的100倍，在如此高溫、高密度的作用之下，氣體粒子產生劇烈地碰撞，而使得核融合的機會增加，在核融合過程中損失小部份的質量轉變為能量，所產生的能量漸漸的向外傳遞，溫度也逐漸降低，到了太陽表面能量便以光與熱的形式向外輻射。

4.2 太陽的大氣

太陽的大氣層可分為三層，最內層稱為光球層，光球層以上的太陽大氣依其性質不同可分為色球層和日冕（圖4-3）。

圖4-3 太陽大氣示意圖

光球層

光球層的溫度約為5800K，輻射最強的部份為可見光。 做太陽觀測時，會發現在太陽盤面中間部份較邊緣光亮，稱為緣暗現象（圖4-4）。

(b)

圖4 – 4 (a)太陽的緣暗現象．(b) 造成緣暗現象的原因是在太陽盤面中間部份，視線與光球表面垂直，通過很短的距離就可以看到溫度較高的光球底層，而在盤面邊緣，視線幾乎與光球表面平行，即使通過較長的距離也只能看到溫度較低的光球上層。因此，在太陽盤面不同的部份看到的溫度不同，自然亮度也不同。

光球層上夾雜著許多顆粒狀的明亮斑點，稱為米粒組織（圖4-5）。每個米粒組織的直徑大約1500公里，出現後持約10分鐘，就會消失或與相鄰的米粒組織合併。

圖4-5 (a)米粒組織（b）米粒組織中心部份是向上翻湧的氣體，其溫度較米粒組織邊緣下沈的暗氣體高出至少100度，這顯示了太陽外層能量的主要傳遞傳遞方式為對流。

色球層

色球層位於光球層之上，氣體稀薄，光線很容易穿透，而其本身的光度只有光球的萬分之ㄧ，平時隱沒於地球大氣所散射的陽光輝映中無法窺視，只有在日全食中，當月面恰好將整個光球遮住時，才可以在日面邊緣看見玫瑰色的環狀結構，色球也正因它而得名（圖4-6）。

圖4-6 (a)色球不是平滑的球層，在其表面有許多細緻的針狀突起，稱為針狀體，其直徑約100∼1000公里，(b) 針狀體示意圖．

日冕

日冕是太陽大氣的最外層，其物質密度極為稀薄，約地球大氣的十萬分之一，而它的亮度僅為光球的百萬分之一左右，相當於滿月的亮度，只有在日全食，才能看到有一片淡白色的暈圍繞在太陽四周（圖4-7）。隨著科技的進步，科學家已能利用日冕儀擋住光球來研究日冕。

圖4-7日冕的形狀隨太陽活動的強弱而有所變動。

太陽風

日冕溫度高達3,500,000K，因此氣體的熱運動速度非常快，可以每秒數百公里的速度逃離太陽表面，形成太陽風。密度極稀薄的太陽風撞擊地球大氣層，深深影響地球生態環境和磁場，太陽風的影響力甚至遠達木星軌道附近。由於太陽風帶走物質，使太陽質量每年減少總質量的10^-14。

4.3太陽的表面活動

黑子

太陽活動最直接的觀測就是太陽黑子，我國古代稱太陽為金烏，早在望遠鏡發明前中國人已發現太陽表面的黑子，在史籍中留下記錄，如西漢淮南子書中的精神訓「日中有蹲烏」，春秋中則有「日中有三足烏」的記載。早期觀測者認為太陽黑子是一些小行星，在水星軌道內繞著太陽運轉所造成的陰影；加利略則認為黑子是太陽大氣中移動的雲。

根據觀測，黑子附近的磁場較周圍平均磁場高，由於強磁場抑制來自內部的能量傳輸，使得黑子區域的溫度較周圍來得低，看起來較暗，故稱為黑子（圖4-8）。黑子常成群出現，稱為黑子群，若觀測到單一存在的黑子可能是一群黑子中的殘存者。每群黑子的數目多少不一，大小也不一定。黑子的生命期與其大小有關，小黑子的大小約為地球直徑的二倍，平均壽命可持續長達一週，而大黑子直徑達數萬至數十萬公里，可存留數月。每群黑子中通常有前導和後隨黑子之分，前者在自轉前方，存留時間較長，後者易分裂且先消失。它們的緯度大致相同，但經度相差數度至10度左右。

圖4-8黑子中的暗核心部份稱為本影，溫度約為4200K，圍繞著本影的較亮的邊緣稱為半影，溫度約為5680K。

太陽黑子活動具有規律性的變化，黑子數目的變化呈現11年的週期，稱此為太陽黑子週期。黑子群在日面緯度上的分布具有規律性，在太陽黑子週期開始時，黑子大都出現在太陽中緯度的區域內，隨黑子數的增加，出現位置向低緯度區發。當黑子大部分出現在緯度10°至20°間，黑子數開始減少，在週期末期時，黑子則在赤道附近消失。在前一個週期的黑子未完全消失前，後一個週期的黑子又開始出現在太陽中緯度。黑子出現緯度隨對時間的變化情形，如圖4-9，稱為蒙氏圖。又因其狀似蝴蝶形，故也稱為蝴蝶圖。

圖4-9由蝴蝶圖可看出太陽黑子有一個週期約11年的規律變化。

太陽黑子的週期與整個太陽磁場的變化有關。若北日球的前導黑子呈磁北極性，其後隨黑子則呈磁南極性，南日球黑子的磁性完全相反。隨著太陽黑子週期的更迭，上述的磁性會整個相反過來。因此太陽磁場週期為黑子活動週期的2倍，約為22年（圖4-10）。

圖4-10太陽磁場的週期變化。

在研究太陽黑子的變化中，同時發現太陽大氣中許多活動現象，大都與黑子有關，也有11年的變化週期，因此黑子的數量多寡可作為太陽活動的標誌。

日珥

日珥為游離化的氣體，受到太陽黑子附近巨大的扭曲磁場拖曳而突出日面邊緣的一種太陽活動（如圖4-11）。在日全食時，以肉眼可見於太陽盤面周圍的火紅色日珥。日珥主要是日冕中的現象，但有些日珥的下端與色球相連，甚至與針狀物難以區分。從光譜分析中發現日珥的物質組成與色球相似，因此日珥應是由噴發出的色球物質構成，而非日冕物質凝聚而成。日珥的形狀變化莫測，有的成拱環狀，有的貌似靜止停留於半空中，有的由高處落下。一般認為日珥的產生、發展和變化與活動區上空的磁場有關。

圖4-11 日珥大多成弧狀，像暗絲調狀繞過太陽磁場活躍區，

閃焰

閃焰比日珥的現象更劇烈，是太陽表面巨大的能量變化情形，幾分鐘內可達極大，並於幾小時內逐漸減弱。閃焰活動時，以每秒500至1000公里的速度拋出微小粒子，同時也會放出X射線、γ射線、紫外線、可見光、高速質子和中子束。一個巨大的閃焰可放出10²⁵焦耳的能量，相當於2×10¹⁵噸TNT炸藥的威力。太陽閃焰幾乎都重覆的出現在太陽黑子群附近，可見其發生亦與磁場有關。多數理論認為閃焰是磁場嚴重扭曲所儲存的巨大能量於瞬間釋放出來而造成的。

圖4-11 閃焰是太陽表面的爆炸現象，可把物質加速到很高的速度，使物質噴離太陽表面．

4.4日地關係

太陽對地球影響至深，沒有太陽就沒有地球的一切。然而現代科學中所研究的日地關係並非寧靜太陽對地球的一般貢獻和作用，而是著重於太陽活動對地球的影響。

太陽閃焰所釋放的X-ray和紫外光會於8分鐘內到達地球，並增加地球上空大氣層中電離層的游離現象，造成離子濃度增高，電波吸收增強，使地球向陽半球的無線電信號立即衰減或完全中斷，但一般只能持續幾分鐘至1小時。行動電話利用電離層傳送電波或靠衛星傳訊都有斷訊的危機，飛機和船艦因通訊網路中斷而失去衛星導航而迷失方向。

太陽閃焰亦能釋放高能質子束和電子束，約在幾小十時至幾天之後，形成吹向地球的太陽風，且被地球磁場引導至高緯度區，使此區中頻、高頻和甚高頻的無線電波強烈吸收，可以持續幾天造成訊號中斷。流入近地磁極區的強大電流，使高層大氣分子或原子受激發產生極光，也使地球磁場變形和產生磁爆。此外，太陽閃焰會使大量的電荷聚集在人造衛星表面，造成幽靈訊號，使人造衛星脫離正常軌道。而來自太陽的強大電磁能會順著電線的傳輸，引起短路或燒毀電氣設備。

圖4-12 極區的極光．

從人類歷史的記載中，經由統計發現太陽活動性的起伏可能與地球上的氣候、氣象、水文、地震…等相關。有人發現1640年至1715年的是歷史上小冰期的最冷時期，正巧在這段期間之內沒有黑子的觀測記錄，也沒有極光的記錄。後來發現此期間樹木生長的年輪中含放射性同位素碳14的量較高，證明此時太陽風較弱，無法吹開深入地球大氣層的宇宙粒子，空氣中的碳與之作用使碳14的含量增加。但此時期黑子不存在與近200年觀測到的黑子11年的週期變化相矛盾，因此黑子的存在問題仍在爭議中。

數十年來，科學家也發現地球上的氣候與太陽表面活動有關。太陽黑子週期約11年，但太陽輻射能量只有千分之一的變化。在太陽黑子極大期時，太陽輻射的高能部分成比例增加，使地球大氣中的臭氧量增加，暖化高層大氣，影響從同溫層到地面的風向和風速，使得全球各地氣候型態改變。至於太陽活動性與地球上的氣候、氣象、水文、地震…等方面的關係，並沒有切確可靠的統計資料，在理論方面也進展不大。

4.5太陽的內部

隨著日益進步的科技，人們已逐漸地揭開太陽的面紗，看清她的面貌、表面特徵及變化，但她的內在卻深不可測。日震學的出現為我們解決這個大問題。

媽媽買西瓜時，會拍拍西瓜，聽聽它震動的聲音，來判斷西瓜的好壞。醫生利用聽診器，聽聽我們心跳的聲音，來判斷身體的狀況。地震學家利用地震波在地球內部的反射與傳遞來推測地球的內部結構。同樣地，天文學家能利用日震學推斷太陽內部地溫度、密度、壓力、組成、運動、轉動…等。

習題

1. 若不考慮地球大氣層對太陽光的吸收和散射效應，太陽照射在地球地面上每平方公尺的能量約為1360焦耳/秒（太陽常數），利用日地間的平均距離，計算太陽每秒鐘需發出多少能量？
2. 利用太陽的質量和大小，求其平均密度，並與地球的平均密度比較。
3. 簡述太陽大氣層的分布，並討論各層的現象。
4. 利用韋恩（Wien）公式 l _maxT= 0.2897（l _max的單位為cm）計算光球、色球、日冕所輻射出的主要波長各為何？（光球、色球、日冕的平均溫度各為5800K、50000K、1.5´ 10⁶K）
5. 討論太陽活動對地球的影響。

　

《實習4-1》由太陽黑子的日面運動計算太陽的自轉週期

由附錄的觀測資料中，可知在日面上的太陽黑子有規律地移動著，但實際上並非太陽黑子在移動，而是太陽自轉所造成的效果。

若圖的左方是太陽盤面的東邊，而右方是太陽盤面的西邊，由太陽黑子位置的變化，

1. 試問太陽的自轉是由西向東，或是由東向西轉？
2. 太陽黑子在太陽盤面上的移動速率是否相同？為什麼？

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

利用影像處理的方式，將附錄中的多幅影像組合出下面這張照片，照片中展現了太陽黑子在1999年8月的變化。

　

1. 黑子在日面上的軌跡是否為一直線？為什麼？
2. 在同一黑子的運動軌跡上會一條最接近它們的直線，以此弦長為此黑子在太陽球面上運動的半徑（較實際來得小），推算出太陽自轉週期。
3. 太陽並非一剛體，而是一氣態球，每個部份的自轉週期不盡相同，試比較不同緯度的自轉週期。

《實習4-2》由長期資料分析，驗證太陽黑子數目多寡成11年的週期變化

下表為太陽黑子相對數的年平均值資料，請以太陽黑子相對數為縱軸，年份為橫軸作圖，觀察此圖您發現什麼？〈若需最新資料請至臺北市立天文科學教育館網頁尋找，網址為hppt://www.tam.gov.tw〉

　

預估下一次太陽黑子活動的極大期和極小期將發生在何年？請提出您的理由。

　

　

《附錄一》

表4-1 太陽的基本資料

《附錄二》

1999/8/1 1999/8/2 1999/8/3

1999/8/4 1999/8/5 1999/8/6

999/8/8 1999/8/9 1999/8/10

1

1999/8/11 1999/8/12 1999/8/13

1999/8/14 1999/8/15 1999/8/1

1999/8/18 1999/8/19 1999/8/20

1999/8/22 1999/8/23 1999/8/24

1999/8/25 1999/8/26 1999/8/27

1999/8/29