太陽系形成與搜尋其他世界

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巨隗
5 years ago
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3 太陽 (The Sun)

4 學習目標太陽的能量來源太陽表面是什麼情形? 內部結構呢? 怎麼知道? 太陽黑子是什麼東西? 太陽為何會發光? 可以維持多久? 太陽的生老病死如何影響地球?

5 太陽的基本資料表面溫度 :5800 K( 觀測 ) 核心 : K ( 理論 ) 目視大小 :32' 實際大小 : km(70 萬公里 ) = 約地球的 100 倍 = 約木星的 10 倍視星等 :-26.74(c.f. 天狼星為 -1.45) 與地球距離 : 1 AU ( 一億五千萬公里 ) 質量 :1 M = kg = 地球 33 萬倍 = 所有行星加起來的 700 倍 = 太陽系總質量 99.85% 密度 :1.4 公克 / 立方公分 ( 水是 1; 地球是 6.4) 光度 (luminosity): 1 L = W 赤道自轉一圈需時 : 約 25 天

6 太陽質量約 74% 是氫,25% 是氦, 其他元素 ( 共 1%) 都少得多地球呢?

7 連續光譜發射光譜吸收光譜氫原子的電子躍遷能階

9 Å Å

10 太陽由氣體組成, 核心密度為水的 150 倍! 核心部分溫度高 ( 百萬度 ), 進行核子反應, 產生能量向外以輻射方式傳送氣體溫度高, 分子運動快互相推擠氣體壓力向內萬有引力 = 向外氣體壓力平衡越向外溫度越來越低外層改以對流方式傳送能量太陽表面為翻騰的氣體 ( 有如煮沸的水 ) 溫度超過攝氏 5000 度

11 太陽的能量來源 I Chemical burning? Typically J per atom. How long can the Sun shine by chemical burning? 1 L = W 4 x atoms per second The Sun contains about kg/2 x kg ~ atoms 3 x s ~ 10,000 years

(1824 1907) British, first Baron Kevin Hermann von Helmholtz (1821 1921) German

12 太陽的能量來源 II 1800s 英國 Lord Kelvin and German Hermann von Helmholtz: contraction compresses interior gases heat Kelvin-Helmholtz contraction William Thomson ( ) British, first Baron Kevin Hermann von Helmholtz ( ) German Gravitational energy ~ GM 2 /R ~ J 1 L = W yr 但地質資料顯示地球年齡遠不止於此

13 太陽的能量來源 III 簡單的原子核結合較複雜的原子核原子核強作用力把自己抓得比較緊放出能量 (γ 射線 X 射線光 ) 例如 :(4 個 ) 氫原子核 (1 個 ) 氦原子核 animation: cold gas animation: hot gas Thermonuclear fusion

14 proton-proton (PP) chain 反應步驟一 : 兩個質子 (proton) 碰撞其中一個變成中子 ( 藍色 ), 放出一個微中子 (neutrino), 及一個正子 (positron) 質子與中子形成氘 ( 2 H) 正子與一般電子相互湮滅 (annihilate), 並放出迦瑪射線步驟二 : 步驟一的 2 H 與另一個 ( 第三個 ) 質子碰撞, 形成氦三 ( 3 He) 放出另一個迦瑪射線光子步驟三 : 兩個氦三 ( 3 He) 碰撞, 形成氦四 ( 4 He) 放出兩個質子 animation: pp chain 淨反應 :4 個質子產生 1 個氦四

15 Q: 原子核 ( 質子 ) 帶正電, 彼此有庫侖排斥力, 那麼它們如何融合呢? A: Quantum tunneling effect ( 量子穿隧效應 ) the particle can penetrate the potential barrier even with insufficient total energy 粒子有波動性波動函數 ( 也就是發現粒子的機率 ) 能穿透到這個區域

16 Energy Gained in a PP Chain 4H 1 He + neutrinos + energy Mass of 4 H = x kg - Mass of 1 He = x kg Mass deficit x kg E = mc 2 = (0.048 x kg) x (3 x 10 8 m/s) 2 = 4.3 x J To generate 1 L = 3.9 x W, the sun needs to convert some 600 million tons ( 六億公噸 ) of H into He in its core per second.

17 Dawn to arrive at Ceres on March 6, 2015

18 太陽表面我們所見的日面光球色球日冕

19 太陽大氣層光球 (photosphere) 太陽大氣最低的一層 ; 厚度約 400 km; 是我們肉眼看到的太陽盤面色球 (chromosphere) 比光球暗 ; 密度也較低, 只有在光球被擋住 ( 如日全食 ) 時, 才見看得到色球呈粉紅色 ; 厚度約 500 km 日冕 (corona) 太陽大氣最外層 ; 延伸數百萬公里 ; 整個日冕在可見光的亮度, 只相當於滿月,i.e., 只有 photosphere 的百萬分之一只在日全食或利用日冕儀 (coronagraph) 擋住光球, 才能看到 corona

21 太陽外表特徵緣暗現象 (limb darkening) 太陽黑子 (sunspots) 米粒組織 (granulation) 針狀結構 (spicules)

22 緣暗現象視線透過等量的氣體 4000 K 6000 K 盤面邊緣透過較冷的高層大氣 4000 K 6000 K 盤面中央透過較內部較熱的氣體比較明亮

24 溫度低輻射強度弱

25 November 15, 1999, Mercury transited (passed in front of the Sun) Observed by the TRACE spacecraft The Sun appears larger in the ultraviolet image than in the visiblelight image. Why? Every 6-9 min UV Visible

27 米粒組織 (granulation) 太陽氣體從內部到表面對流翻騰的證據 A granule: a hot, bright rising central part + cooler, darker descending gas A typical granule ~ 1500 km in diameter, lasting for ~10 minutes

29 針狀組織 (spicule)

32 太陽黑子 (sunspots) 為表面低溫地區, 看起來比較暗該處磁場強, 抑制了內部傳遞出來的能量

34 Penumbra Umbra granulation movie

35 中國雲南撫仙湖太陽望遠鏡拍攝

36 黑子會有消長藉由同一個黑子群在太陽盤面的運動可以研究太陽轉動赤道附近轉一圈 ~25 d 緯度 30 度附近轉一圈約需時 27 天兩極附近約 35 天差動自轉 (differential rotation)

37 太陽黑子數目呈現 11 年週期變化 (solar cycle) 整個太陽的活動亦然, 包括日冕大小

38 Max Min 每個太陽週期之初, 黑子多半在約緯度 30 度附近出現, 隨後黑子出現的緯度越來越接近赤道蒙氏蝴蝶圖 Maunder (butterfly) diagram 太陽極大時期發出的能量比極小時期多 0.1%

39 地球處於小冰河期

40 測量太陽磁場 Zeeman Effect --- splitting of a spectral line by magnetic field

41 The magnetic field gets increasingly tangled because of the differential rotation. The field breaking through the surface is parallel to the surface and suppresses upward convection cooler and lower elevation Bobcock s magnetic dynamo model

42 以太陽黑子 11 年週期計算, 目前為第 24 期

43 太陽南北半球磁極性相反

44 太陽磁場逆轉兩次太陽週期南北極性互換, 例如上個週期北半球 N 極前導,S 極跟隨 ( 同時南半球則 S 極前導 ), 那麼下個週期則北半球 S 極前導如果考慮磁場變化, 完整的太陽變化週期為 22 年

45 太陽表面常有劇烈活動, 物質高速噴發, 常看得出磁場結構

46 Magnetic field reconnection causes release of energy and ejection of material upward.

47 日珥 ( 亮 ) 譜斑暗條

52 日冕氣體溫度非常高, 達數百萬度, 因此在 X 光波段很明亮 corona 中的氣體以高速 ( 時速百萬公里 ) 逃逸到太空, 形成太陽風 (solar wind); 每秒拋出百萬噸的物質 ( 主要成分為質子電子 )

53 太陽 ( 系 ) 的磁場 Data by the Ulysses spacecraft in 1994

54 尤力西斯 (Ulysses) 是第一架從黃道面上方研究星際空間的太空船

55 CME animation SOHO 太空船所拍攝太陽 coronal mass ejection 的 X 射線影像 2-4 天以後最高能量的氣體粒子到達地球, 多半被地球磁場偏折離去, 但仍有少數衝向地球, 造成極光中斷通訊與電力供應損害衛星

56 Solar Heliospheric Observatory (SOHO)

57 買西瓜時, 敲一敲, 聽一聽! 到底敲什麼, 聽什麼? 觀測震動情形藉以研究星球內部結構和理論建構的模型比較

58 Solar Flares Cause Sun Quakes APOD

59 太陽內部結構半徑 1/4 之內的核心進行核反應, 釋放的能量藉輻射與對流方式傳到表面, 然後輻射到太空

60 太陽各部分處於靜力平衡 (hydrostatic equilibrium)

61 太陽的結構模型

64 The Solar Neutrino Problem Thermonuclear reactions produce neutrinos ( 微中子 ); neutrinos per second! This amounts to solar neutrino per m 2 on the Earth s surface Neutrinos react with matter very weakly; but they do interact with matter occasionally, e.g., neutrino + neutron proton But in various solar-neutrino experiments, only a fraction has been detected of the expected flux. What happened? neutrino oscillation

65 The Sudbury Neutrino Observatory (Canada) with 1000 tons of heavy water

Microsoft PowerPoint - 07Sun

Microsoft PowerPoint - 07Sun 太陽 (The Sun) 你覺得呢? 太陽佔了太陽系多少質量? 太陽像地球一樣, 內部為固體與液體嗎? 太陽表面是什麼情形? 裡面呢? 怎麼知道? 太陽會轉動嗎? 太陽為何會發光? 太陽的基本資料表面溫度 :5800 K ( 觀測得知 ) 核心溫度 :1.5 10 7 K ( 理論推測 ) 目視大小 :32' 實際大小 :7 10 5 km(70 萬公里 ) = 約地球的 100 倍 = 約木星的