太空與海洋世界 - 太空部份 - 朱延祥 國立中央大學太空科學研究所研究室 : 科學四館 818 室, 分機 :65764 E-mail: yhchu@jupiter.ss.ncu.edu.tw 第四週 (107 年 5 月 17 日 )
三 太陽 - 太陽結構 - 太陽活動性四 八大行星, 流星與彗星 - 火星生命之謎 - 流星雨之成因
太陽在銀河系中的位置 銀河側視圖 銀河俯視圖 太陽 厚約 7000 光年 約 5 萬光年 太陽 約 2 萬 6 千光年 銀河系中約有 2000 億顆恆星, 太陽為其中之一 太陽系以每秒 250 公里速度繞銀河中心旋轉, 繞一週需 2-2.5 億年 銀河系又以每秒 300 公里的速度帶領太陽系繞銀河系群中心旋轉
https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a19433180/galaxy-rotation-billion-years/ 星雲自旋 根據美國 NASA 估計, 可觀測的宇宙中大約具有 2000 億個各種形狀大小的銀河星雲 (Galaxies) 雖然如此, 今 (2018) 年 4 月最新的觀測證據顯示, 每一個星雲的自旋轉速幾乎都相同, 約每 10 億年轉一圈 此規律現象顯示, 星雲中的星球以及行星數量對於星雲轉速沒有影響 此外, 在銀河邊緣, 除了含有年輕恆星與大量星塵氣體之外, 也具有為數可觀的年老恆星 至於造成幾乎所有的星雲以相近的速度自轉的物理機制, 仍為待解之謎
太陽參數
日冕與太陽風 流動的日冕 - 太陽風 日冕溫度 色球層 日冕 日冕增溫現象, 到現在仍是太空科學領域未解之迷
太陽結構圖 日冕 色球層 光球層 太陽大氣層 色球層 日冕 日珥 對流層 核心輻射層對流層 太陽本體
全日蝕時肉眼所見的日冕與太陽擾動現象 2008 年 8 月日蝕 日珥 prominence 膨脹的日冕 ( 太陽風 ) ( 熾熱氣體與太陽磁場 ) 日珥 prominence 色球層 月球陰影 膨脹的日冕 http://apod.nasa.gov/apod/ap100316.html 環狀日珥 prominence 日珥大小與木星與地球的比較 木星 地球
不斷改變中的太陽活動性 活躍時期 11 年週期 寧靜時期
太陽黑子 - 太陽活動性強弱的指標 太陽黑子多 太陽黑子少 太陽活動性強時期 太陽活動性弱時期
太陽黑子 http://solarphysics.livingreviews.org/articles/lrsp-2015-4/articlese3.html 平均 11 週年的變化 半影 本影 顆粒 (Granule) 地球大小
太陽黑子的其他結構 螺旋狀 點圓狀 顆粒結構
太陽顆粒 (Granule) 結構 - 太陽物質在光球層中對流的結果 - 顆粒放大圖 冷區 暖區
太陽黑子的磁場特性 -S 與 N 及的成對出現 - 太陽磁場圖 S 極 N 極 磁場 S 極 磁場 N 極
太陽黑子的極性 - 太陽 22 年活動週期的指標 - 太陽磁場變化 太陽黑子數
太陽黑子磁場特性 太陽黑子
http://what-when-how.com/space-science-and-technology/the-sun-as-a-star/ 太陽黑子磁場極性反轉的原因 - 太陽差異旋轉效應 - 太陽磁力線因差異旋轉效應而扭曲反轉 差異旋轉 約 33 天 約 25 天 太陽本體內部的差異旋轉 太陽赤道 核心輻射區對流區 緯度 60 度 太陽表面
10.7 公分 (2800MHz) 太陽輻射亦可作為 太陽活動性強弱的指標 10.7 公分太陽輻射 http://www.astrosurf.com/luxorion/qsl-hf-tutorial-nm7m.htm 太陽黑子數 https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/kdi,_pavel_najman.pdf
太陽活動性的其他現象 - 日珥, 黑斑, 絲焰 - 日珥 黑斑 絲焰 以負片方式呈現 Fig. 13-20a: Prominences, etc - I.
太陽活動性的其他現象 - 日珥, 閃焰與亮區 - 亮區 閃焰 日珥 Solar Flare 這些現象的發生次數與強度都隨太陽活動性的強弱而有明顯的改變, 太陽活動性高時, 這些現象的發生頻率與強度亦隨之增高, 反之亦然 因此可以作為表示太陽活動性大小的指標
太陽 X 射線強度亦隨太陽活動性而變 X 光 寧靜時期 可見光 活躍時期 若以太陽 6000 度的黑體輻射來看, 太陽本體基本上是不會輻射出 X 射線的, 因為溫度要超過兩百萬度才會有 X 射線波段的輻射 但觀測顯示太陽是一個強力的 X 射線輻射體 主要的源區除了日冕 ( 溫度高達百萬度 ) 外, 太陽黑子附近的活躍區, 太陽閃焰, 日珥, 亮區, 以及 CME 的發生, 都會輻射出 X 射線
太陽物質爆發 (Solar Mass Ejection-CME) 源區 : 太陽日冕中的任何位置噴出質量 : 平均數十億噸, 劇烈時可高達數百億噸噴發速度 : 平均每秒數百公里, 劇烈時高達每秒 2000 公里影響距離 : 遠達木星, 土星或更遠
太陽物質爆發 - 太陽的劇烈擾動 (Corona Mass Ejection-CME) CME 隨太陽活動性增強而增多 可能影響 (1) 伴隨的強烈太陽輻射改變電離層電子濃度, 影響人造衛星通訊以及短波電波通訊 (2) 伴隨的高能粒子, 威脅人造衛星與太空船的安全, 嚴重時造成衛星通訊中斷 (3) 地球磁場發生劇烈擾動, 導致導航發生問題, 並引起發電廠的跳電
太陽閃焰 (Solar Flare) 與太陽日冕物質噴射 (CME) 的不同
彗星撞太陽事件 (1) - 產生太陽大爆炸 -
彗星撞太陽事件 (2) - 產生太陽大爆炸 -
太陽光譜與黑體輻射 http://astro1.panet.utoledo.edu/~lsa/_p1750/58eh2_modaphy.htm 6000k 250k https://scienceofdoom.com/2010/06/01/the-sun-and-max-planck-agree/ 可見光波段 釐米 (Centimeter, cm) 一公尺的百分之一毫米 (Millimeter, mm) - 一公尺的千分之一微米 (Micrometer, mm) 一公尺的百萬分之一奈米 (Nanometer, nm) 一公尺的十億分之一
太陽光子輻射波段分類 可見光 紫外線 紅外線 X- 射線 微波 珈瑪射線 無線電波 太陽可見光波段所輻射出的能量佔太陽總輻射量的 43%, 近紅外線波段則佔了 49%, 而紫外線輻射能量佔了 7%, 至於 X- 射線,Gamma 射線, 以及無線電波段則貢獻少於 1% 的太陽總輻射能量 http://www.spacewx.com/pdf/set_21348_2004.pdf
太陽常數 (Solar Constant) 不是一個常數 http://msis.jsc.nasa.gov/sections/section05.htm 太陽常數的定義 太陽光譜 在離太陽一天文單位 (AU) 的距離, 在不受地球大氣影響的條件下, 在一秒鐘內, 一平方公尺的平面上所接收到的太陽輻射出所有波段光的總能量 太陽常數的平均數值約為 1360 瓦特 / 平方公尺 ( 或 1.959 卡 / 平方公分 / 分 ) 但受到太陽活動性的影響, 其數值有千分之二到三的變動, 因而影響到地球
太陽電磁 ( 光子 ) 輻射在大氣中的穿透性 http://www.windows2universe.org/earth/atmosphere/earth_atmosph_radiation_budget.html 太陽的光子輻射中, 只有可見光 部分紅外線與微波波段 以及波長短於約 10 公尺的無線電頻段可以穿透大氣屏障而到達地面, 至於其他頻段的太陽輻射, 或被大氣不同成分氣體吸收 或被電離層反射回太空, 因而絕大部分無法進入大氣底層, 進而保護生命得以在地球表面上的繁衍 (Lean, JGR, 839-868, 1987) gray Gamma Ray 伽瑪射線 Xray X 射線 UV Ultraviolet 紫外線 VIS Visible 可見光 IR Infrared 紅外光
太陽電磁 ( 光子 ) 輻射在太陽大氣中的源區 https://ase.tufts.edu/cosmos/view_picture.asp?id=174 太陽大氣溫度 日冕 過渡層 太陽大氣層的溫度隨高度先由太陽表面的 6000 度降低到在 500 公里處的 4000 度後 ( 此氣層為光球層, 為太陽發出黃色為主的可見光的發光區 ), 開始隨高度逐漸增高, 到約 2500 公里處溫度達八千到ㄧ萬度左右, 此氣層為色球層, 以氫原子所發出的紅光為主 再往上, 經過短短的 2-300 公里, 溫度急遽升高到數十萬度 隨後溫度再隨高度增加而升高, 進入日冕區後, 最後達一百萬度 (Lean, JGR, 839-868, 1987) 色球層 光球層
恆星演化史 黑洞 : 恆星質量大於太陽 20 倍, 經紅巨星演化後期重力塌陷引起超新星爆炸的核心質量 ( 鐵核 ) 大於 4 倍太陽質量中子星 : 恆星質量大於太陽 8 倍, 經紅巨星演化後期重力塌陷引起超新星爆炸的核心質量 ( 鐵核 ) 為 1.4-3 倍太陽質量白矮星 :0.2-8 倍太陽質量, 經紅巨星演化後期重力塌陷的核心質量 ( 碳與氧核 ) 小於 1.3 倍太陽質量, 約 97% 的銀河系恆星均屬此類
恆星演化史 http://www.nature.com/scientificamerican/journal/v306/n3/box/scientificamerican0312-32_bx2.html 超新星 黑洞 中子星 太陽 超新星 白矮星 紅矮星 棕矮星
太陽的最終宿命 白矮星 太陽在紅巨星階段時的結構
人類首次直接觀測到黑洞旋轉 重力稜鏡校應 http://chandra.harvard.edu/photo/2004 /h1413/more.html 波段 :X- 射線距離 :61 億光年年齡 :77 億年質量 : 太陽的 2 億倍旋轉速度 : 光速的一半觀測 : 透過重力稜鏡協助聚光 ( 位於旋轉外環上的四個亮點為環中心的重力透鏡聚光扭曲的結果 ) Multiple images of a distant quasar known as RX J1131-1231(60 億光年遠 ) are visible in this combined view from Chandra (pink) and Hubble (red, green, and blue).(103-3-5 issued by NASA) (Nature, 2014. DOI: 10.1038/nature13031)
黑洞質量 最新的黑洞觀測與發現 近似孤立的星雲系統 具有大小不等豐富且擁擠的星雲群 J Thomas et al. Nature 1 3 (2016) doi:10.1038/nature17197 黑洞半徑 2016 年 4 月科學家發現宇宙中人類所觀測的第二大黑洞, 係位於離地球 1.49 億光年的 NGC1600 星雲中, 它是一個年齡約 46-88 億年的橢圓星雲, 位於宇宙的星雲聚集群間的星雲空曠區, 此巨大黑洞的質量約為太陽質量的 170 億倍, 佔了 NGC1600 整個星雲總質量的 2% 過去科學家一般認為大質量的黑洞大都發生於星雲群聚集擁擠區, 但這次發現將擴展科學家搜尋黑洞的範圍, 將不侷限在星群聚集區, 或許黑洞真如某些學者猜測, 它無所不在的位於宇宙中各角落 黑洞 http://www.mpe.mpg.de/6537551/news-20160406 J Thomas et al. Nature 1 3 (2016) doi:10.1038/nature17197
宇宙自然元素的源地 - 恆星核心 H, He, Li, Be, B - 宇宙大爆炸初期便已產生 C 到 Fe - 恆星核心核融合作用所產生 Fe 以下的元素 透過中子或質子捕捉過程產生同位素後, 再藉元素衰變過程, 產生新種重元素, 逐漸而完成所有宇宙自然元素的形成