3.2 太阳

来源： 考纲 §3 · 课堂笔记 §8.1

我们的太阳是一颗 G 型恒星（黄色主序星）。

关键数据： 表面约 6000 °C · 核心约 1500 万 °C · 直径约 1.4·10⁶ km · 质量 $M_{\odot }=\mathrm{1,989}\cdot {10}^{30}$ kg。(NASA: Sun Facts)

G 型星是好的生命宿主，因为它们长寿，而且——不像蓝巨星——发出的有害辐射（紫外、X 射线）相对较少（参见恒星类型）。

分层结构

由内向外：核心（聚变，约 1500 万 °C——引力把原子压得极紧，点燃聚变）→ 辐射区（靠辐射传能）→ 对流区（热等离子体上升、冷却、下沉——像沸水）→ 光球层（可见「表面」）。

图：太阳分层——核心、辐射区、对流区、光球层，其上为色球层和日冕。箭头表示等离子体的升降。

能量从核心到达表面约需一百万年，因为光子不断被物质散射（「随机行走」）。每次散射都损失一点能量、波长变长：核心产生伽马射线，到表面变成可见光。

✎ 为什么有两种不同的传能区（辐射 vs 对流）？ 能量向外传播有两条路：

• 辐射传能（内侧辐射区）：由光子自己带着能量走——从一次散射到下一次散射（「随机行走」）。只要等离子体对辐射还「足够透明」（炽热、高度电离），这条路就有效。
• 对流传能（外侧对流区）：再往外，等离子体更冷、对辐射更不透明（能量「堵」住了）。这时更有效的方式是整团炽热的等离子体上升、在上方放出能量、冷却后再下沉——正像沸水。这种升降就叫对流。

传能方式的切换，正解释了辐射区与对流区之间的分层界面。

太阳黑子

黑子位于光球层，比周围更冷，因而辐射更少 → 显得更暗。它们的成因是太阳磁场扰乱了对流，冷等离子体无法再下沉。

图：太阳黑子（2001 年 3 月 26 日 – 4 月 2 日的时间序列）及与地球的大小对比。暗区是光球层上较冷的地方。

✎ 追问：黑子真的「黑」吗？ 不。黑子仍有约 4000 °C，单独拿出来看依然亮得刺眼——只是与约 6000 °C 的周围光球对比之下显得暗（辐射功率随温度急剧增长，$P\propto T^4$）。「暗」是相对的。

能量来源：$E=m{c}^2$

计算表明：化学燃烧根本撑不起太阳——化学能只够烧几千年，而太阳已经发光约 45 亿年——对不上。1905 年爱因斯坦用狭义相对论给出解释：质量可以转化为能量。

$$E=m\cdot c^2$$

符号	含义	单位
$E$	释放的能量	J
$m$	转化的质量（「质量亏损」）	kg
$c$	光速 $=3,00\cdot {10}^8$	m/s