当前位置:首页 >> 理学 >>

宇宙探秘论文


课程结业论文
课程名称 : 宇宙探秘

院系专业:北师大物理系 物理学 学 姓 号: 名: 201211141928 马宏志

天空至尊是太阳
太阳的基本结构、活动、结局以及对地球的影响概观
【摘要】 :太阳是太阳系的中心天体,太阳的结构包括核心、辐射层、对流层、大气层(光球层、色 球层、日冕层)等多层结构。太阳活动对地球的影响巨大,黑子,冕洞、耀斑爆发都是显著的太阳活 动,对地球的磁场、通讯、气候和人类活动都有很大影响,美丽的极光也是太阳活动的杰作。太阳目 前正值壮年, 它的未来将何去何从, 本文将进行系统简明的探究。 通过进行科学的分析, 精密的计算, 以及应用赫罗图进行分析,并与其他恒星做对比,可知恒星的最终归宿与燃料燃尽之时的质量有关。 由于太阳质量不够大,小于钱德拉塞卡极限,所以太阳最终将变成一颗白矮星。

【关键词】 :太阳大气、太阳活动、引力坍缩、赫罗图、白矮星、

【引言】 :自古以来人类就十分敬畏太阳,认为它是光明之神。由于缺乏知识,古人对于太阳的认识 仅仅建立在在直觉和猜测上,片面而不够深入,托勒密的“地心说”一直占统治地位,认为日月星辰 皆绕地球运行。文艺复兴以来,哥白尼提出“日心说” ,认为太阳是宇宙的中心,地球和其他行星皆 绕其运行,解释了行星运动;伽利略以观测事实支持了“日心说” ;开普勒在第谷精确的观测数据的 基础上提出了开普勒三定律,打开了近代天文学的大门;牛顿又提出万有引力定律,从本质上揭示了 行星的运动,至此确立了太阳的中心地位。近代以来随着科学技术和观测技术的发展,人类的视野已 大大超出了太阳系,达到宇宙星际,从而理解了太阳的独特性和普通性。随着大型望远镜的发明,以 及光谱学、天文学、物理学的发展,人类对太阳内部结构、太阳活动都有了比较成熟的认识。20 世 纪以来随着相对论的提出和量子力学的建立,人类对于宇宙的起源、发展和结局做了深入的研究,认 识更加透彻。本文是作者在学习宇宙探秘课的基础上,通过查找课外资料,咨询天文学学者写成的, 文章在前人研究的基础上,系统地阐述了太阳的基本结构、太阳活动和对地球的影响,并在大量理论 和数据支持的基础上对太阳的最终归宿做了大胆的推测, 希望能够加深人们对太阳的认识。 纯属一家 之言,谬误之处,乞请批评指正,以补苴罅漏。

在茫茫宇宙之中,太阳是一颗极其普通的恒星,丝毫没有特别之处,但它是太阳系的中心天体, 在太阳系内占有主导地位,它是一个巨大炽热的气体球,自诞生起,太阳内部时时刻刻进行着剧烈的 核聚变反应,向周围辐射出巨大的光和热。太阳及其行星是约50亿年前星际物质云在自引力作用下 逐渐收缩形成的,目前太阳正值壮年。据科学家估计,太阳还将继续燃烧五十亿年左右。

太阳的基本概况和结构
太阳是太阳系的核心, 其直径约为 140 万千米, 是地球的 109 倍, 其体积达到 140 亿亿立方千米, 相当于 130 万个地球的总和,质量为地球的 33 万倍,占据了整个太阳系总质量的 99%以上。太阳与 地球的平均距离月为 1.5 亿 km, 其表面的重力加速度是地球的 28 倍, 磁场强度约为地球的 100 多倍。 构成太阳的物质主要是氢和氦,由于内部激烈的核聚变反应,其表面的温度达到 5700 摄氏度,其内 部中心则为 1500 万度。太阳的结构从内到外依次是核心,辐射层、对流层、光球层、色球层和日冕 层,后三者构成太阳的大气。 太阳的核反应区只是中心处范围为太阳半径 1/4 的区域,由于密度很高,所以体积只占太阳总体 积 1.6%的中心区质量却是整个太阳总质量的 50%, 在这里每秒钟要燃烧掉 6 亿吨氢! 核心之外到 3/4 太阳半径的区域是太阳的辐射层,体积占到一半,质量却为太阳总质量的 49.9%,由于此处的光子为 高能光子,不是人眼所能感受到的可见光,所以人眼将对这一灼热耀眼的球层视而不见。辐射层之外 是对流层,这是黑子和米粒组织的发源地。 太阳的大气层包括光球层、 色球层和日冕层三层。 光球层是太阳大气的最底层, 厚度约为 500km, 温度为 5770 摄氏度,可见光几乎全部来源于此,光谱也在此层形成,我们看到的太阳正是太阳的光 球层。光球层是不均匀的,呈现临界昏暗现象, 越靠近边缘越昏暗。光球层之上 2500km 厚度范围是由 稀薄、透明的气体组成的色球层,温度一般为 4600K 到几十万 K 不等,发出的可见光很少,只有在 日全食和 Hα 中才可见。日冕层是太阳大气的最外层,直径可达太阳直径的几倍至几十倍,温度可达 200 万摄氏度。日冕层呈羽状结构,气体极为稀薄,亮度极小,和真空差不多,只有借助日冕仪才能 见到该层,而且其形状随着太阳活动的强弱而改变。从色球层到日冕层顶部,温度持续升高,达到和 太阳核心的温度一个量级, 可能跟太阳的磁场作用有关。 太阳上很多米粒状的较亮小斑, 称为 “米粒” , 角直径 1-3 角秒或大小为 700-2000 km。太阳表面的米粒总数约为 370 万个。米粒一般比起周围亮 10%-20%,温度高 100-300K,米粒的寿命约十几分钟。 一般认为,米粒是一种对流现象,光球层位 于温度较高的对流层上面,热的对流元胞上升,将多余的热量幅射掉后,较冷的气体就分开而沿米粒 边缘向下反流回去。米粒和超米粒(2-5 万公里,寿命几十小时)除了尺度不同外,产生的部位也不 一样,米粒形成的有效深度约 400km, 即属于光球层的浅对流,而超米粒形成的有效区域约 7200km, 即属于对流层的深对流。

太阳活动
实际的太阳并不像我们看到的那样平静而安详, 不仅太阳内部时刻进行着激烈的核反应, 而且其 表面也总是有大规模的太阳活动剧烈地发生着。黑子、耀斑和日冕物质抛射分别是发生在光球层、色 球层和日冕层的三中最显著的太阳活动。 光球上的黑子是太阳活动最明显的标志之一,黑子产生的周期约为 11 年。黑子其实并不黑,只

是由于温度比周围低,所以看上去显得黑而已。黑子的温度低于光球,温度约 4000 –4500 K 亮度约 为光球的 2/3,大小约 10,000 千米通常成群出现,黑子有很强的磁场,一般认为黑子是磁场与物质相 互作用的产物,迄今为止,作用方式还是个谜。 对于黑子的形成,有两种解释。 一种解释认为黑子 中的强大磁场抑制了光球中的能量传递,使它深处的热量无法向上传到黑子,因而黑子温度低,显得 暗; 另一种解释认为黑子中的能量通过非辐射传输等多种途径大量向外传播,造成“入不敷出”的 状态,因而变得暗黑。黑子的寿命为几小时到几个月。 利用黑子在日面的运动可以确定太阳的自转为较差转动。有证据表明:太阳内部是刚体式自转, 而太阳外部呈现较差自转, 光球显示的较差自转只持续到对流区, 而光球以下 220,000km 处就变为与 纬度无关的刚体式均匀自转。通过观测黑子在日面上的位置表明,太阳赤道区自转快,而高纬区自转 慢。 多数人认为太阳内部有强大电流在流动, 流动的电流周围所产生的磁力线像地球磁场的磁力线一 样,倾向于沿南北磁极方向分布,随着太阳的较差自转,这些磁力线便会慢慢互相缠绕起来。太阳上 一有任何扰动(比如湍流)发生,便会使这种缠绕成的“磁力线管”造成扭转。当磁力线发生扭转时 会形成“结” ,使那里的磁场强度大大增强,从而磁压也就逐渐增大,当磁压超过电子压和气体压之 和时,磁力线管便浮到太阳光球上来,从而形成黑子,黑子处的磁场比周围区域磁场强 1000 倍左右。 耀斑爆发是在色球及低日冕中的一种不稳定现象,跟黑子一样,其周期也为 11 年。其主要观测 特征是,日面上(常在黑子群上空)突然出现迅速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之 间,亮度上升迅速,下降较慢在几秒至几分钟内释放大量的能量(1029—1033 尔格) 、各种电磁辐射 及大量粒子流。耀斑爆发是太阳活动中最激烈的现象,对地球大气及磁场会产生直接的影响。 太阳日冕物质抛射时, 是指巨大的、 携带磁力线的泡沫状物质主要是电子和质子组成的等离子体 体,在几分钟至几小时内以每秒几十公里到超过每秒 1000 公里的速度从太阳向外抛射出来,使很大 范围的日冕受到扰动, 从而剧烈地改变了白光日冕的宏观形态和磁场位形。 日冕物质抛射是日冕大尺 度磁场平衡遭到破坏的产物,日冕物质抛射破坏了太阳风的流动,产生的干扰会影响到地球,甚至引 发悲剧结果。当抛射物抵达地球时被称为行星际日冕物质抛射,这可能会扰乱地球磁层,压缩向日面 和使背日面延伸成尾状。当在背日面的磁层重连结时,它创造出数兆瓦特能量,从地球后方倾入上层 大气,在磁极上空与地球大气中的分子原子发生剧烈碰撞,此过程造成特别强的斑驳陆离的极光(常 出现在北极的称北极光,在南极则称南极光) 。 耀斑爆发和太阳风等太阳活动发出的高能带电粒子到达地球附近时带电粒子或强辐射可能干扰 电离层,会破坏无线电的传输,影响短波通讯,造成大规模输电网络破坏,导致能量耗损(断电) 。 带电粒子或强辐射可能击坏卫星和危及宇航员的安全! 带电粒子或强辐射可能干扰地球磁场! 太阳活 动可能引发气候变迁,影响地球上生命的生存!

恒星的形成过程
恒星是由星际空间的星云收缩形成的,因此有人形象的将星云比喻为恒星的“产房” ,其中孕育

着数百万颗恒星。产生恒星的基本条件是氢气、引力和漫长的时间。起初,星云中的一小块氢气受热 后开始升温,进而引起星云中的其他物质开始发热、升温并发光。尘埃和气体在万有引力的作用下开 始聚集,形成巨大的漩涡。在聚集并压缩体积的过程中,由于外界对其做功,被压缩的气体温度会升 高。经过数十万年,星云的密度会不断增大,并会形成盘状漩涡,直径超过太阳系。而位于中心的气 体,在重力的不断挤压下,形成具有超高密度和温度的球体。随着压力不断增大,由于旋涡物质具有 的角动量,导致巨大的气柱从中心喷射而出,喷射气柱直径达几光年,它可以使物质加速,穿越无法 想象的距离。而核心的部分,就是年轻的恒星。引力作用持续而强烈,气体和灰尘颗粒被不断吸入, 并相互挤压,产生了越来越多的热量,由于中心的热量散发不出去,所以之后的几十万年的时间里, 恒星将一直与引力收缩相对抗,年轻的恒星经挤压将变得更亮更热,温度会达到 1500 万摄氏度。一 些气体原子在高温下会发生聚变而释放出更大的能量, 经过这些聚变反应, 产物会通过相互作用与气 体、尘埃等形成更加清晰的球体,一颗恒星就这样诞生了。在今后的数万、数亿、甚至数千亿年,它 会一直发光,释放能量。恒星体积相差比较大,但质量差别并不悬殊,质量越大的恒星寿命就越短, 质量越小的恒星寿命反而越长。太阳质量属于中等恒星质量,所以估计太阳的寿命为 100 多亿年。

恒星的演化过程
由赫罗图分析可知, 恒星的演化过程包括主序星演化阶段和晚期演化阶段, 主序星演化阶段相比 晚期演化阶段时间要长的多,且变化没有后者巨大而显著。目前太阳正处于主序星演化阶段。由于恒 星是一个自引力系统,需要内部强大的热核聚变释放能量来与引力收缩相抗衡,保持稳定状态,恒星 的一生都在与自身引力相“较量” ,但最终还是会败给引力坍缩。 恒星在燃烧尽星核区的氢之后,就会熄火,主序星演化阶段结束,这时核心区主要是氦,外围区 的物质主要是未经燃烧的氢,核心熄火后恒星失去了辐射的能源,它便要引力收缩,这是一个起关键 作用的因素。一个核燃烧阶段的结束,表明恒星内各处温度都已低于在该处引起点火所需要的温度, 根据热力学第一定律, 引力收缩将使恒星内各处的温度升高, 这实际上是寻找下一次核点火所需要的 温度, 引力收缩将使恒星内各处的温度全面的升高, 主序后的引力收缩首先点着的不是核心区的氦 (它 的点火温度高的太多) ,而是核心与外围之间的氢壳,氢壳点火后,核心区处于高温状态,而仍没核 能源,他将继续收缩。这时,由于核心区释放的引力位能和燃烧中的氢所释放的核能,都需要通过外 围不燃烧的氢层就必须剧烈地膨胀, 即让介质辐射变得更透明。 而氢层膨胀又使恒星的表面温度降低 了,在赫罗图上表现为由中央条带向右上方过渡,该过程是一个光度增加、半径增加、而表面变冷的 过程,是恒星从主序星向红巨星过渡的阶段。 过程进行到一定程度,氢区中心的温度将达到氦点火的温度,于是又过渡到一个新阶段--氦燃烧 阶段, 将由氦和其他较重元素的核反应维持能源,太阳辐射变得淡化。氦燃烧的产物是碳,在氦熄 火后恒星将有一个碳氧核心区氦外壳, 由于剩下的质量太小引力收缩已不能达到碳的点火温度, 于是

它就结束了以氦燃烧的演化,而走向热死亡。此时恒星的剩余质量决定它的最终形态。如果核燃料燃 尽时恒星质量小于钱德拉塞卡极限 M=1.44M⊙, 此后由于太阳内部没有能源来抵制引力坍缩,这就使 它的半径大大缩小,密度大大增加,内部的压强极大,使得原子中的电子“溢出”从而使它物质进入 费米简并电子气状态,在该过程中,由于碳氧核外围的物质在收缩的过程中遇到坚硬的核,所以它们 便会抛射出去,只剩下坚硬致密的核心,这时的恒星就成为了颗白矮星,其上的逃逸速度将达到 6000km/s。 当到燃料燃尽之时恒星质量达钱德拉塞卡极限,即 M=1.44M⊙ 时,由赫罗图可知恒星继续坍缩。 在这个过程中, 可能有两种情况: 一种是超新星爆发, 恒星物质全部向周围空间抛射出去, 形成星云, 参与到新的行星产生的循环之中;另一种情况是恒星演化为中子星。由于引力坍缩,使得核心区的温 度达到碳的着火点,碳氧核被点燃,之后产生的产物按元素周期表的顺序依次燃烧下去,在这过程中 是释放能量的,来与引力坍缩对抗,使得引力坍缩比较慢。当达到铁的着火点时,铁元素开始燃烧, 由于该反应是吸收能量的,所以由于恒星内部没有能量与引力坍缩相抗衡,所以引力坍缩特别剧烈, 在很短的时间内使得核心区内的电子在极大的压强下达到无处容身的地步, 一方面受泡利不相容原理 的限制,它们不能以完全相同的状态两两挤在一起;另一方面,由于受到强大引力作用的束缚,又不 能向核心区外逸出,因而电子被压入原子核内,发生逆衰变,即 p+e=n+ve,原子核瓦解,此时太阳 物质内的原子核富含中子,成为自由中子气状态,中子之间为强相互作用,产生与引力坍缩相对抗的 中子简并压,其结果是恒星将由上万千米坍缩成只有10km 左右物质密度极大的中子星,中子星由于 半径很小,质量很大,其上的逃逸速度特别大,约为光速的60%。 当燃料燃尽之时恒星质量达到奥本海默极限,即 M=2~3M⊙ 时,中子简并压被摧毁,恒星将继续 坍缩下去,最终形成黑洞。

太阳的归宿
太阳自诞生起已经经历了 47 亿个年头, 目前太阳正值壮年, 其体内的氢和氦还足以燃烧 50 亿年, 所以对于太阳的能源是否耗尽,我们不必杞人忧天,因为到太阳熄灭之时,地球或许早已消失,更谈 不上人类是否能看到那一天。那么太阳的最终结局将会如何呢? 恒星的最终归宿跟内部核燃料燃尽后的质量有关, 如果质量小于钱德拉塞卡极限, 则会坍缩成白 矮星,白矮星冷却后亮度大大降低,形成黑矮星,黑矮星将会在星际空间存在很长一段时间;如果质 量达到钱德拉塞卡极限,小于奥本海默极限,则会继续继续燃烧并探索,成为中子星;如果质量大于 奥本海默极限极限,在引力作用下将会无限坍缩下去,最终形成黑洞。在红巨星阶段太阳的亮度将会 达到现在的 2000 多倍,木星和土星周围的温度也会升高,木星的冰卫星以及作为土星特征的环都会 被蒸发得无影无踪;另一方面,由于从外层部分会不断放出气体,最终太阳的质量会减至主序星阶段 的 60%。因太阳引力减弱之故,行星开始远离太阳。当太阳质量减至原来的 60%时,行星和太阳的 距离要比现在扩大 70%,这样一来,地球轨道以内的部分(包括地球)将会被太阳吞没。红巨星阶

段过后太阳将会发生引力坍缩。 像太阳这般质量的星球, 由于内部核燃料燃尽时的质量将小于钱德拉 塞卡极限,其密度已变得非常高的中心部分只会收缩到一定程度,也就是温度只会升高到某种程度, 中心部分的火会渐渐消失,太阳逐渐失去光芒,膨胀的外层部分将收缩,冷却成致密的白矮星。那时 太阳将会每秒自转一周, 密度至少为 1.41*10^11 kg/m^3 , 最终由于光度和温度降低而形成 “黑矮星” , 在星际空间长期存在下去,那时我们的太阳系已经处于一种分崩离析的状态,将是一片的死寂。

【参考文献】 [1]《探索宇宙奥秘》 [2]《亲近宇宙》 李良 主编 河南科学技术出版社 2002-10-1 2004-2

中国科学院紫金山天文台 主编 余明 主编 著

中央广播电视大学出版社 科学出版社 2011-1-17 2001-1-1 2005-8-1 高等教育出版社

[3]《简明天文学教程》第二版 [4]《天体演化》 [5]《简明天文学》 罗先汉

山西科学技术出版社 山东人民出版社 赵凯华 罗蔚茵 编

贾荷陵 编

[6]《新概念物理教程-热学》第二版

2009-6-1


相关文章:
宇宙探秘免费学习_天文学_教学视频大全
开拓性的思维方式视频教程,国际中医联合网校全套教学,在线学习天文学课程,宇宙探秘视频下载
现代科学技术论文--揭开黑洞神秘的面纱
现代科学技术论文--揭开黑洞神秘的面纱_机械/仪表_工程科技_专业资料。揭开黑洞...http://www.yuzhoutanmi.cn/html/LiLun/HeiDong/590.html 宇宙 探秘网 5. ...
化学论文
宇宙模型 1页 免费 宇宙的起源与演化 2页 1下载券 宇宙起源 7页 2下载券 宇宙探秘 4页 免费 热学实验论文 6页 3下载券化​学​论​文 ...
中学生科技小论文写作简介
中学生科技小论文写作简介 中学生科技小论文写作简介 科技科技小论文主要写作范围 ...仿真和虚拟 现实技术 宇宙探秘: 宇宙探秘:星际幻想、探索之路、体验与探险、太空...
中学生科技小论文写作简介
宇宙探秘:星际幻想、探索之路、体验与探险、太空剧场等。太阳系、三球馆、天文...科技小论文范 例见附录二: 《学生科技小论文范文》 。 附录一: 怎样写科技、...
期末论文 朱婷
宇宙探秘---朱婷 5页 2财富值 朱婷——西方政治思潮作业 暂无评价 2页 2财富...期末论文 朱婷 隐藏>> <<红与黑 的思考与现实的联系 红与黑>>的思考与现实的...
职业生涯答辩论文样例多专业
职业生涯答辩论文样例多专业_职业规划_求职/职场_实用文档。题目 大学第一年度...另外在与调 查对象的交谈中得知,大多数学生在选修课程时往往倾向于选择宇宙探秘...
南京市八年级物理下册第七章从粒子到宇宙四宇宙探秘导...
南京市八年级物理下册第七章从粒子到宇宙四宇宙探秘导学案苏科版教案_高考_高中...【提示】 同学们可以到网上查找相关资料, 写一篇目有关微观粒子的小论文。 这...
...市八年级物理下册第七章从粒子到宇宙四宇宙探秘导学...
江苏省南京市八年级物理下册第七章从粒子到宇宙四宇宙探秘导学案苏科版课件_...【提示】 同学们可以到网上查找相关资料, 写一篇目有关微观粒子的小论文。 这...
物理学史教学中情感态度与价值观目标达成研究论文
物理学史教学中情感态度与价值观目标达成研究论文_教学案例/设计_教学研究_教育...如在讲到宇宇宙探秘的内 容时可以补充布鲁诺为捍卫科学真理走上火刑场的故事;在...
更多相关标签: