普通天文学/太阳

太阳是太阳系中心的恒星，地球、其他七个行星和许多其他天体都围绕它运行。它有时被称为太阳（因此有了“太阳系”这个术语）。太阳的平均直径为139.2万公里，是地球直径的109.1倍，是最大行星木星直径的9.7倍。太阳相对于遥远恒星的自转周期在赤道处为25.05个地球日，在两极处为34.3个地球日。

太阳结构和成分

太阳

太阳由极其炽热的气体物质组成。由于温度很高，这种物质处于一种称为等离子体的状态，在这种状态下，电子被剥离了母原子核。太阳的成分大约是90%的氢和10%的氦，按原子核总数计算。从质量上看，太阳大约71%是氢，27%是氦。差异是由于氦原子核的质量大约是氢原子核（质子）的4倍。还混合有少量其他元素。

太阳由一系列层组成，可以认为是从核心向外的一组同心“壳”。

太阳的中心是它的核心，一个大约1500万开尔文（约2700万华氏度）的区域。核心是太阳能量来源的核聚变反应发生的地方。主要反应是氢聚变成氦。

核心外是辐射区，核心产生的能量通过这里向表面传播。然而，这种能量只能通过辐射向外传播一段距离，这限制了它的深度。此处的温度约为700万至200万开尔文。人们认为，位于其上方的界面区域是太阳发电机的来源，太阳发电机为太阳的磁场提供动力。

辐射区和界面区域之外是对流区。该区域位于加热的辐射区和太阳较冷的外层之间。其结果是一系列称为对流的运动。热物质密度较小，向上升向表面；靠近表面的物质一旦冷却，密度就会变大，再次下沉。通过此过程，热量逐渐向上输送到太阳表面。对流区的底部温度约为200万开尔文，而顶部的物质温度大约为6000开尔文。

对流区顶部是光球层，从我们的角度来看，它是太阳的视觉“表面”。此处的物质温度约为6000 K。由于下方正在进行的对流，多边形形状定义了对流单元的壁，称为米粒组织出现在整个表面。

光球层之上是色球层，一层非常弥散、炽热的层。此处的物质温度从光球层的6000 K上升到约20,000 K。过渡区位于日冕层之上，温度上升得更加剧烈，高达100万开尔文。

最后，色球层和过渡区之外是日冕，一种极其稀薄（非常低密度）的气体，温度超过100万开尔文。人们认为日冕主要是由太阳周期的磁过程加热的。

太阳周期

磁力线的扭曲是由太阳自转的影响引起的。

太阳每11年经历与磁场形成和破坏相关的规律周期。此过程会影响太阳表面的特征；正是通过观察这些特征，我们对太阳周期的了解才随着时间的推移而发展起来。

太阳的磁场是由太阳等离子体的运动自然产生的。因为这种等离子体是由带电粒子组成的，所以它的运动会产生电场。在产生电场的地方，会产生垂直于它们的磁场。

然而，太阳的自转不像地球那样是刚性的，因为气体物质比地球的地壳流动得多。赤道处的物质移动速度比两极处的物质快；这称为差分自转。此外，磁力线嵌入等离子体中，并倾向于随其运动而运动。因此，最初从极地到极地的磁力线在中间变得更加拉伸，线的中心超过了极地锚定的末端。最终，这些线将多次缠绕太阳。

由于磁力线不能相互交叉，因此当它们彼此靠近时，它们往往会向上突出，形成从太阳光球层向外突出的“环”。太阳耀斑就是沿着这些环显示的。这些线缠绕太阳的次数越多，磁场就变得越“缠绕”和越混乱。最终，磁场变得如此混乱，以至于完全破裂。当然，在此之后，新的磁场开始形成，循环再次开始。整个过程大约需要11年。

磁场的存在对太阳的光球层有影响。在讨论太阳结构和成分时，曾提到对流过程将热量从太阳内部区域向上输送到光球层。这种对流往往发生在称为对流单元的上升热物质和下降冷物质的相当局部的区域。但是，如果存在磁环，它将扰乱其中一个对流单元，将冷物质困在太阳表面。虽然这些区域（约4500 K）与光球层（约6000 K）相比只是凉爽，但总体效果是它们在太阳“表面”上显得暗淡。因此，这些被称为太阳黑子。

太阳黑子的存在反映了磁场的循环。事实上，正是太阳黑子数量和位置的演变首次证明了磁场反转的循环。在磁循环开始时，当磁场新形成时，只会出现一些太阳黑子；这被称为太阳活动极小期。出现的太阳黑子往往位于高太阳纬度——即靠近两极，远离太阳赤道。随着循环的继续，太阳黑子将逐渐增多，并倾向于更靠近太阳赤道。这个循环的峰值被称为太阳活动极大期。太阳黑子数量达到峰值后，将继续减少，并仍更靠近太阳赤道。随着这个循环逐渐消失，下一个循环的前几个太阳黑子将开始出现在高太阳纬度，依此类推。

由于它们是由磁力线形成的，所以太阳黑子成对出现；出现在形成它们的磁环两端的底部。同样，太阳黑子彼此之间将具有相反的磁极性。在循环期间可以观察到每一对的极性都有明显的模式。为方便起见，我们将看起来在太阳自转方向上更靠前的黑子称为“前导”黑子，将其伙伴称为“后随”黑子。

北半球的太阳黑子对将与南半球的太阳黑子对具有相反的极性。也就是说，如果前导黑子的极性为一种（称为+），后随黑子的极性为另一种（-）在北半球，那么在南半球，前导黑子的极性将为（-），后随黑子的极性为（+）。在给定半球中的太阳黑子对在太阳周期期间往往都显示出相同的极性。然而，在循环结束时，极性将“翻转”：该半球中的新太阳黑子将具有与先前循环相反的极性。

下表显示了四个11年循环中太阳黑子的模式，针对（前导和后随）太阳黑子对。

周期	N.对极性	S.对极性
1	+ -	- +
2	- +	+ -
3	+ -	- +
4	- +	+ -

太阳黑子活动与地球极光之间的联系

地球上的极光。

极光是太阳活动对地球大气层可见的影响。它是由太阳风（来自太阳的带电粒子——电子和质子流的持续流动）与地球高层大气中气体的相互作用产生的，高度在50英里以上。当这些带电粒子到达地球磁场时，它们会被困在其中。许多这些粒子来回弹跳，朝着地球的磁极移动。当带电粒子撞击大气中的原子和分子时，大气原子会变得激发或电离，导致它们发射光子。这些光子导致发光的极光。北半球看到的极光称为北极光或北极光，而南半球看到的极光称为南极光。

太阳风与地球高层大气碰撞产生放电，使氧原子和氮原子激发，随后释放出各种颜色的光。由于原子氧的辐射，极光大多呈现绿色和红色。类似地，分子氮和氮离子产生暗红色和非常高的蓝色/紫色极光。而氮离子产生蓝色和绿色的极光，中性氮产生红色和紫色的极光，边缘呈波纹状。 大多数极光发生在地球上空约60至620英里的高度。有些极光沿天空纵向延伸数千英里或公里。 弥漫的红色极光出现在150英里以上。边缘呈粉红色的极光高度约为50至60英里。

极光。

极光活动主要发生在称为极光区的带状区域，围绕着地磁极，位于地磁纬度65至70度之间。极光区是围绕地球任一磁极半径约2500公里的环形区域。极少在极点附近看到极光。在一天中的任何时间，极光的分布都略有不同。其中心偏离磁极3-5度，位于磁极的夜侧。因此，在强烈的磁暴期间，极光弧在午夜附近最远到达赤道方向。极光区向赤道方向移动，最靠近赤道可达45至50度纬度。 在春季和秋季的高纬度地区，极光活动达到最大值，因为此时地球位于太阳赤道以北或以南最远的位置，因此地球更有可能拦截来自太阳黑子附近增强太阳风的可能性。

极光高度随纬度的变化：-

h’χ – h’ο = H logn sec χ。

其中χ = 地球磁倾角

h’ο = 当χ = 0时对应的发光度最大值的高度

H = (kT)/mg

K= 玻尔兹曼常数

T= 绝对温度

m = 气体质量

g = 重力加速度

极光在11年太阳黑子周期的峰值阶段最为强烈。极光活动在太阳黑子周期的最大值附近以及随后几年也达到峰值。太阳表面最剧烈的爆发称为太阳耀斑，起源于可见太阳黑子群周围的磁活动区域。 太阳耀斑释放电子和质子，增加了与地球大气层相互作用的太阳粒子数量，从而产生极其明亮的极光。地球磁场的急剧变化称为磁暴，也是太阳黑子的结果。

地球磁场。

地球周围环绕着一个磁场，称为磁层，它构成了太阳风的屏障。太阳风压力强烈压缩太阳侧的磁层，并在相对侧拉伸成一条极长的尾部。由于太阳风的带电粒子无法穿过地球的磁力线，因此绕过地球流动。这在空间中地球的上游形成了一个驻波，称为弓形激波。太阳风的电子扩散到磁尾，形成一个称为等离子体片的储层。磁层和太阳风形成了一个巨大的电动力学，其中流动着强大而复杂的电流。这些电流的一个组成部分是由等离子体片中的电子携带的，这些电子沿着磁力线以螺旋路径从300公里下降到100公里。然后这些粒子与大气气体碰撞使其发光，我们称之为极光。