普通天文學/太陽

太陽是太陽系中心的恆星，地球、其他七個行星和許多其他天體都圍繞它執行。它有時被稱為太陽（因此有了“太陽系”這個術語）。太陽的平均直徑為139.2萬公里，是地球直徑的109.1倍，是最大行星木星直徑的9.7倍。太陽相對於遙遠恆星的自轉週期在赤道處為25.05個地球日，在兩極處為34.3個地球日。

太陽結構和成分

太陽

太陽由極其熾熱的氣體物質組成。由於溫度很高，這種物質處於一種稱為等離子體的狀態，在這種狀態下，電子被剝離了母原子核。太陽的成分大約是90%的氫和10%的氦，按原子核總數計算。從質量上看，太陽大約71%是氫，27%是氦。差異是由於氦原子核的質量大約是氫原子核（質子）的4倍。還混合有少量其他元素。

太陽由一系列層組成，可以認為是從核心向外的一組同心“殼”。

太陽的中心是它的核心，一個大約1500萬開爾文（約2700萬華氏度）的區域。核心是太陽能量來源的核聚變反應發生的地方。主要反應是氫聚變成氦。

核心外是輻射區，核心產生的能量透過這裡向表面傳播。然而，這種能量只能透過輻射向外傳播一段距離，這限制了它的深度。此處的溫度約為700萬至200萬開爾文。人們認為，位於其上方的介面區域是太陽發電機的來源，太陽發電機為太陽的磁場提供動力。

輻射區和介面區域之外是對流區。該區域位於加熱的輻射區和太陽較冷的外層之間。其結果是一系列稱為對流的運動。熱物質密度較小，向上升向表面；靠近表面的物質一旦冷卻，密度就會變大，再次下沉。透過此過程，熱量逐漸向上輸送到太陽表面。對流區的底部溫度約為200萬開爾文，而頂部的物質溫度大約為6000開爾文。

對流區頂部是光球層，從我們的角度來看，它是太陽的視覺“表面”。此處的物質溫度約為6000 K。由於下方正在進行的對流，多邊形形狀定義了對流單元的壁，稱為米粒組織出現在整個表面。

光球層之上是色球層，一層非常彌散、熾熱的層。此處的物質溫度從光球層的6000 K上升到約20,000 K。過渡區位於日冕層之上，溫度上升得更加劇烈，高達100萬開爾文。

最後，色球層和過渡區之外是日冕，一種極其稀薄（非常低密度）的氣體，溫度超過100萬開爾文。人們認為日冕主要是由太陽週期的磁過程加熱的。

太陽週期

磁力線的扭曲是由太陽自轉的影響引起的。

太陽每11年經歷與磁場形成和破壞相關的規律週期。此過程會影響太陽表面的特徵；正是透過觀察這些特徵，我們對太陽週期的瞭解才隨著時間的推移而發展起來。

太陽的磁場是由太陽等離子體的運動自然產生的。因為這種等離子體是由帶電粒子組成的，所以它的運動會產生電場。在產生電場的地方，會產生垂直於它們的磁場。

然而，太陽的自轉不像地球那樣是剛性的，因為氣體物質比地球的地殼流動得多。赤道處的物質移動速度比兩極處的物質快；這稱為差分自轉。此外，磁力線嵌入等離子體中，並傾向於隨其運動而運動。因此，最初從極地到極地的磁力線在中間變得更加拉伸，線的中心超過了極地錨定的末端。最終，這些線將多次纏繞太陽。

由於磁力線不能相互交叉，因此當它們彼此靠近時，它們往往會向上突出，形成從太陽光球層向外突出的“環”。太陽耀斑就是沿著這些環顯示的。這些線纏繞太陽的次數越多，磁場就變得越“纏繞”和越混亂。最終，磁場變得如此混亂，以至於完全破裂。當然，在此之後，新的磁場開始形成，迴圈再次開始。整個過程大約需要11年。

磁場的存在對太陽的光球層有影響。在討論太陽結構和成分時，曾提到對流過程將熱量從太陽內部區域向上輸送到光球層。這種對流往往發生在稱為對流單元的上升熱物質和下降冷物質的相當區域性的區域。但是，如果存在磁環，它將擾亂其中一個對流單元，將冷物質困在太陽表面。雖然這些區域（約4500 K）與光球層（約6000 K）相比只是涼爽，但總體效果是它們在太陽“表面”上顯得暗淡。因此，這些被稱為太陽黑子。

太陽黑子的存在反映了磁場的迴圈。事實上，正是太陽黑子數量和位置的演變首次證明了磁場反轉的迴圈。在磁迴圈開始時，當磁場新形成時，只會出現一些太陽黑子；這被稱為太陽活動極小期。出現的太陽黑子往往位於高太陽緯度——即靠近兩極，遠離太陽赤道。隨著迴圈的繼續，太陽黑子將逐漸增多，並傾向於更靠近太陽赤道。這個迴圈的峰值被稱為太陽活動極大期。太陽黑子數量達到峰值後，將繼續減少，並仍更靠近太陽赤道。隨著這個迴圈逐漸消失，下一個迴圈的前幾個太陽黑子將開始出現在高太陽緯度，依此類推。

由於它們是由磁力線形成的，所以太陽黑子成對出現；出現在形成它們的磁環兩端的底部。同樣，太陽黑子彼此之間將具有相反的磁極性。在迴圈期間可以觀察到每一對的極性都有明顯的模式。為方便起見，我們將看起來在太陽自轉方向上更靠前的黑子稱為“前導”黑子，將其夥伴稱為“後隨”黑子。

北半球的太陽黑子對將與南半球的太陽黑子對具有相反的極性。也就是說，如果前導黑子的極性為一種（稱為+），後隨黑子的極性為另一種（-）在北半球，那麼在南半球，前導黑子的極性將為（-），後隨黑子的極性為（+）。在給定半球中的太陽黑子對在太陽週期期間往往都顯示出相同的極性。然而，在迴圈結束時，極性將“翻轉”：該半球中的新太陽黑子將具有與先前迴圈相反的極性。

下表顯示了四個11年迴圈中太陽黑子的模式，針對（前導和後隨）太陽黑子對。

週期	N.對極性	S.對極性
1	+ -	- +
2	- +	+ -
3	+ -	- +
4	- +	+ -

太陽黑子活動與地球極光之間的聯絡

地球上的極光。

極光是太陽活動對地球大氣層可見的影響。它是由太陽風（來自太陽的帶電粒子——電子和質子流的持續流動）與地球高層大氣中氣體的相互作用產生的，高度在50英里以上。當這些帶電粒子到達地球磁場時，它們會被困在其中。許多這些粒子來回彈跳，朝著地球的磁極移動。當帶電粒子撞擊大氣中的原子和分子時，大氣原子會變得激發或電離，導致它們發射光子。這些光子導致發光的極光。北半球看到的極光稱為北極光或北極光，而南半球看到的極光稱為南極光。

太陽風與地球高層大氣碰撞產生放電，使氧原子和氮原子激發，隨後釋放出各種顏色的光。由於原子氧的輻射，極光大多呈現綠色和紅色。類似地，分子氮和氮離子產生暗紅色和非常高的藍色/紫色極光。而氮離子產生藍色和綠色的極光，中性氮產生紅色和紫色的極光，邊緣呈波紋狀。 大多數極光發生在地球上空約60至620英里的高度。有些極光沿天空縱向延伸數千英里或公里。 瀰漫的紅色極光出現在150英里以上。邊緣呈粉紅色的極光高度約為50至60英里。

極光。

極光活動主要發生在稱為極光區的帶狀區域，圍繞著地磁極，位於地磁緯度65至70度之間。極光區是圍繞地球任一磁極半徑約2500公里的環形區域。極少在極點附近看到極光。在一天中的任何時間，極光的分佈都略有不同。其中心偏離磁極3-5度，位於磁極的夜側。因此，在強烈的磁暴期間，極光弧在午夜附近最遠到達赤道方向。極光區向赤道方向移動，最靠近赤道可達45至50度緯度。 在春季和秋季的高緯度地區，極光活動達到最大值，因為此時地球位於太陽赤道以北或以南最遠的位置，因此地球更有可能攔截來自太陽黑子附近增強太陽風的可能性。

極光高度隨緯度的變化：-

h’χ – h’ο = H logn sec χ。

其中χ = 地球磁傾角

h’ο = 當χ = 0時對應的發光度最大值的高度

H = (kT)/mg

K= 玻爾茲曼常數

T= 絕對溫度

m = 氣體質量

g = 重力加速度

極光在11年太陽黑子週期的峰值階段最為強烈。極光活動在太陽黑子週期的最大值附近以及隨後幾年也達到峰值。太陽表面最劇烈的爆發稱為太陽耀斑，起源於可見太陽黑子群周圍的磁活動區域。 太陽耀斑釋放電子和質子，增加了與地球大氣層相互作用的太陽粒子數量，從而產生極其明亮的極光。地球磁場的急劇變化稱為磁暴，也是太陽黑子的結果。

地球磁場。

地球周圍環繞著一個磁場，稱為磁層，它構成了太陽風的屏障。太陽風壓力強烈壓縮太陽側的磁層，並在相對側拉伸成一條極長的尾部。由於太陽風的帶電粒子無法穿過地球的磁力線，因此繞過地球流動。這在空間中地球的上游形成了一個駐波，稱為弓形激波。太陽風的電子擴散到磁尾，形成一個稱為等離子體片的儲層。磁層和太陽風形成了一個巨大的電動力學，其中流動著強大而複雜的電流。這些電流的一個組成部分是由等離子體片中的電子攜帶的，這些電子沿著磁力線以螺旋路徑從300公里下降到100公里。然後這些粒子與大氣氣體碰撞使其發光，我們稱之為極光。