太阳光圈
地球的空气通常是透明的。 但是在许多城市的烟雾弥漫的日子里,它可能会变得不透明,这使我们无法在某个点上看透它。 太阳中也会发生类似的情况。 它的外部大气层是透明的,使我们能够在很短的距离内观察。 但是,当我们试图透过大气层更深入地观察太阳时,我们的视线被挡住了。 光圈是太阳变得不透明的层,它标志着我们看不见的边界(图\(\PageIndex{4}\))。
图 S\(\PageIndex{4}\) olar Photosphere 加上太阳黑子 这张照片显示的是照相圈——太阳的可见表面。 还显示了一组黑子的放大图像;显示了地球的大小以供比较。 太阳黑子之所以看起来更暗,是因为它们比周围环境凉爽。 大型黑子中心的典型温度约为3800 K,而光圈的温度约为5800 K(来源:NASA/SDO对工作的修改)
正如我们所看到的,来自光圈的能量最初是在太阳深处产生的(详情请见《太阳:核电站》)。 这种能量以光子的形式出现,光子缓慢地向太阳表面移动。 在太阳之外,我们只能观察那些发射到太阳光圈的光子,那里的原子密度足够低,光子最终可以在不与另一个原子或离子碰撞的情况下逃离太阳。
比方说,假设你正在参加一场大型校园集会,并在活动中心附近找到了一个黄金地段。 你的朋友迟到了,用你的手机给你打电话,要求你在人群边缘加入她的行列。 你认为友谊比黄金地段更有价值,所以你在密集的人群中努力与她见面。 你只能移动很短的距离,然后碰到某人,改变方向,然后再试一次,慢慢进入人群的外边缘。 在此期间,你的努力对你处于边缘的等候朋友是看不见的。 你的朋友在你非常靠近边缘之前看不见你,因为路上有所有的尸体。 因此,穿过太阳的光子也会不断碰撞到原子,改变方向,缓慢地向外移动,只有当它们到达太阳大气层时才可见,那里的原子的密度太低而无法阻挡其向外前进。
天文学家发现,在刚刚超过400千米的距离内,太阳大气层从几乎完全透明变为几乎完全不透明;我们称之为光圈,这个词来自希腊语,意为 “光球”。 当天文学家谈到太阳的 “直径” 时,他们指的是被光圈环绕的区域的大小。
只有从远处看,光圈才看起来很清晰。 如果你落入太阳,你不会感觉到任何表面,而只会感觉到周围气体的密度在逐渐增加。 这与跳伞时从云层中坠落差不多。 从远处看,云看起来好像有锋利的表面,但是当你掉入云层时,你感觉不到表面。 (但是,这两种情景之间的一大区别是温度。 太阳太热了,在你到达光圈之前很久你就会被蒸发。 在地球大气层跳伞要安全得多。)
我们可能会注意到,与你正在阅读这篇文章的房间里的空气相比,太阳的大气层并不是一个非常密集的层。 在光圈中的一个典型点,压力低于地球海平面压力的10%,密度约为地球海平面大气密度的万分之一。
用望远镜观测表明,光圈呈斑驳的外观,类似于洒在深色桌布或一锅沸腾的燕麦片上的米粒。 光圈的这种结构称为颗粒(见图\(\PageIndex{5}\))。 颗粒通常直径为 700 到 1000 千米(大约相当于德克萨斯州的宽度),显示为明亮区域,周围环绕着狭窄、较暗(较冷)的区域。 单颗粒的寿命仅为 5 到 10 分钟。 更大的是超级颗粒,其横跨约35,000千米(大约相当于两个地球的大小),持续约24小时。
图:\(\PageIndex{5}\)造粒模式。 在这张从日本日出航天器拍摄的戏剧性图像(左)上,对流细胞的表面标记形成了颗粒状图案。 当你加热味增汤时,你可以看到同样的图案。 右图显示了2003年8月22日用瑞典太阳望远镜看到的太阳表面形状不规则的黑子和颗粒。
可以通过检查颗粒正上方的气体光谱中的多普勒偏移来研究颗粒的运动(参见《多普勒效应》)。 明亮的颗粒是较热的气体柱从光圈下方以每秒 2 到 3 千米的速度升起。 当这种上升的气体到达光圈时,它会扩散、冷却并再次沉入颗粒之间的较暗区域。 测量结果表明,颗粒的中心比晶间区域高 50 到 100 K。
在这段来自瑞典太阳物理研究所的 30 秒延时视频中,观看颗粒化的 “沸腾” 动作。