作业帮太阳的热量是怎样产生的?
来源：学生作业帮 编辑：拍题作业网作业帮 分类：物理作业 时间：2024/05/14 15:41:28
太阳的热量是怎样产生的?
太阳的能量
作为太阳系中心天体的太阳,是距地球最近的一颗能够向空间辐射光和热的恒星,也是地球外部能量的主要来源.对地球上的人类来说,太阳是地球以外最重要的天体.
（1）太阳的热核反应
太阳是一个直径约为1.4×106km的巨大灼热气体球,其质量是地球质量（6×1021t）的33.3万倍,占太阳系总质量的99.87％.但由于它的体积是地球的130万倍,所以平均密度只有水的1.41倍,大约和类木行星相似,相当于地球的1／4左右.
太阳表面的温度约为6000K（=5726℃）,所以看起来呈橙黄色.中心部分温度推测可高达1.5×107K,密度达到水的160倍.在这种高温、高压条件下,组成3／4太阳物质的氢元素会失去外层电子,仅剩的内部原子核称为质子.质子在以极大速度运动时可以克服彼此间的静电斥力,发生猛烈的碰撞,由4个氢原子核聚变成为1个氦原子核.这种不断进行的热核反应,使太阳成为一所巨大的天然原子能工厂.
太阳内部发生的热核反应中,存在爱因斯坦在狭义相对论中指出的质量和能量转化关系,即著名的“E=mc2”公式.4个氢核在聚变前的总质量是4×1.0079=4.0316m0（m0原子质量单位,以碳原子的1／12为标准）,而1个氦原子核的质量是4.0026m0,每次核聚变就亏损0.029m0的质量.由于真空中光的速度达到约3×105km／s,所以很少一点质量可转化为巨大的能量.根据推算,1克氢核聚变为氦核大约产生6281×108J（或1500×108cal）的热能,相当于燃烧15t石油或2700t煤所发出的能量.
（2）太阳辐射和质量损耗
由于太阳体积的巨大和热核反应频频发生,就能源源不断地以电磁波（含可见光、紫外线、红外线、无线电波、X射线和γ射线）的形式向四周放射能量,是整个太阳系光和热的主要源泉.
太阳辐射输出能量可以作如下计算：在日地平均距离（1.496×108km）处的地球大气顶界,垂直于太阳光线的1cm2面积上,每分钟接受的太阳辐射能量称为太阳常数,以热量单位表示为8.25J.
根据太阳常数乘以假设被太阳光垂直照射的半个地球圆面积,就可获得一分钟内太阳向地球辐射输送的能量,其值为π×（6.371×108）2cm2×8.25J／cm2·min=1.052×1015J,大约相当于燃烧4×108t烟煤产生的热量.一年中太阳给地球的热量累计相当于100×1016KW·h电,是目前全世界总发电量的几十万倍.
从太阳系整体角度看,地球吸收到的热量仅是太阳辐射总量中的很小一部分.我们采用以日地平均距离为半径的球面上,每分钟每平方厘米获得的太阳常数乘以整个球面积,其值为8.25J／cm2·min×4π×（1.496×1013）2cm2=2318cm×1028J／min=38.62×1025J／s,高出地球吸收到能量的11个数量级.
太阳在大量释放能量的过程中,每秒钟内由于核聚变而损耗的质量达到4×107t.由于目前太阳的热核反应状态已维持50亿年左右的历史,假定能量辐射率基本不变,累计损耗的质量可达6.305×1022t,也只不过是太阳全部质量1.989×1027t的0.03％.根据银河系内部不同演化阶段的恒星演化史推算,太阳现在仍处于壮年期,它的寿命估计可达到100亿年.所以从人类历史的时间尺度来看,太阳的热核反应和能量辐射是取之不尽的能量来源.
（3）太阳活动与黑子周期
太阳正处于由中心区氢核聚变而辐射巨大能量阶段,总辐射量变化不到1％.太阳表面的大气圈从里向外分为光球、色球和日冕三层,其中灼热的等离子气体密度很小（光球部分相当地球大气压力的百分之一,日冕部分仅为十亿分之一）,直接受太阳磁场的支配处于局部的剧烈运动之中,称为太阳活动（solaractivity）.
太阳活动的最基本标志是日面光球上经常出没的“暗黑”斑点,即黑子（sunspot）.黑子其实也发光,只是因为温度比周围光球低1000℃左右,在明亮光球反衬下看起来呈暗黑色.黑子的直径可自2×103～3×103km至1.5×107km,中心部位凹陷约500km,一般认为它是太阳表面剧烈活动所激起的气旋涡.小的黑子仅存在数小时,大黑子群则可延续几个月.黑子在日面的移动可据以证明太阳也有自转,其赤道部分约25日自转一周.黑子分布范围主要集中于日面南、北纬5°～25°之间.
每个黑子周期开始时,黑子一般出现在纬度±30°附近；黑子数最多的高峰期,则出现在纬度约±15°处；黑子周期结束时,赤道附近的黑子又都消失,下一个周期的黑子又开始在纬度±30°附近出现（图1-3）,黑子时空分布形状很像一群蝴蝶,故又称蝴蝶图.
根据中国古代史书记载和17世纪以来利用望远镜观察的黑子资料,平均长度为11.1年的黑子周期已获得公认（图1-4）.
太阳活动的种类较多,除黑子外,还有色球层的光斑、耀斑、日珥以及日冕层的膨胀等,大都随黑子的变化同步起落,体现了太阳活动的整体性（图1-5）.其中最突出的是太阳黑子群里的耀斑爆发,可以在一二十分钟内释放出相当于10亿颗氢弹爆炸的能量,抛出的大量高能粒子流到达地球附近时,扰乱了地球磁场,类似地球磁场突然发生一场风暴,称为磁暴.磁暴发生时会导致地球上短波无无线电通讯中断、罗盘指针剧烈颤动而失去作用和1989年3月13日加拿大魁北克发电厂变压器受损而大停电等现象,对于人类的通讯、生活、军事等活动造成直接危害.
太阳日冕密度虽小,但温度高达摄氏二百万度,当日冕外部以超音速（约450 km／s）向外膨胀时,可扫过地球达到木星轨道,称为太阳风,其密度约8个质子每立方厘米,是行星际物质的重要来源,它对地球大气圈和月球土壤圈也有显著影响.
越来越多的资料使人们注意到,太阳活动的各种现象与地球上气候、水文、地震、疾病流行等现象之间存在某种复杂关系（图1-6）.对于太阳活动的长期观测,又相继发现了太阳黑子的22年磁周期、80年周期和数百年一遇的17世纪太阳活动蒙德极小期；后者尚未获得公认,但时间上正好对应我国明末清初的著名灾害群发期.必须指出,这种周期并不是数学上的严格周期,而只是一种平均周期,或称为准周期.由于太阳活动形成机制及其对地球的影响,迄今还没有公认的科学结论,这个重要的科学奥秘尚待天文学、物理学和地球科学等联合攻关,逐步予以探明.
作为太阳系中心天体的太阳,是距地球最近的一颗能够向空间辐射光和热的恒星,也是地球外部能量的主要来源.对地球上的人类来说,太阳是地球以外最重要的天体.
（1）太阳的热核反应
太阳是一个直径约为1.4×106km的巨大灼热气体球,其质量是地球质量（6×1021t）的33.3万倍,占太阳系总质量的99.87％.但由于它的体积是地球的130万倍,所以平均密度只有水的1.41倍,大约和类木行星相似,相当于地球的1／4左右.
太阳表面的温度约为6000K（=5726℃）,所以看起来呈橙黄色.中心部分温度推测可高达1.5×107K,密度达到水的160倍.在这种高温、高压条件下,组成3／4太阳物质的氢元素会失去外层电子,仅剩的内部原子核称为质子.质子在以极大速度运动时可以克服彼此间的静电斥力,发生猛烈的碰撞,由4个氢原子核聚变成为1个氦原子核.这种不断进行的热核反应,使太阳成为一所巨大的天然原子能工厂.
太阳内部发生的热核反应中,存在爱因斯坦在狭义相对论中指出的质量和能量转化关系,即著名的“E=mc2”公式.4个氢核在聚变前的总质量是4×1.0079=4.0316m0（m0原子质量单位,以碳原子的1／12为标准）,而1个氦原子核的质量是4.0026m0,每次核聚变就亏损0.029m0的质量.由于真空中光的速度达到约3×105km／s,所以很少一点质量可转化为巨大的能量.根据推算,1克氢核聚变为氦核大约产生6281×108J（或1500×108cal）的热能,相当于燃烧15t石油或2700t煤所发出的能量.
（2）太阳辐射和质量损耗
由于太阳体积的巨大和热核反应频频发生,就能源源不断地以电磁波（含可见光、紫外线、红外线、无线电波、X射线和γ射线）的形式向四周放射能量,是整个太阳系光和热的主要源泉.
太阳辐射输出能量可以作如下计算：在日地平均距离（1.496×108km）处的地球大气顶界,垂直于太阳光线的1cm2面积上,每分钟接受的太阳辐射能量称为太阳常数,以热量单位表示为8.25J.
根据太阳常数乘以假设被太阳光垂直照射的半个地球圆面积,就可获得一分钟内太阳向地球辐射输送的能量,其值为π×（6.371×108）2cm2×8.25J／cm2·min=1.052×1015J,大约相当于燃烧4×108t烟煤产生的热量.一年中太阳给地球的热量累计相当于100×1016KW·h电,是目前全世界总发电量的几十万倍.
从太阳系整体角度看,地球吸收到的热量仅是太阳辐射总量中的很小一部分.我们采用以日地平均距离为半径的球面上,每分钟每平方厘米获得的太阳常数乘以整个球面积,其值为8.25J／cm2·min×4π×（1.496×1013）2cm2=2318cm×1028J／min=38.62×1025J／s,高出地球吸收到能量的11个数量级.
太阳在大量释放能量的过程中,每秒钟内由于核聚变而损耗的质量达到4×107t.由于目前太阳的热核反应状态已维持50亿年左右的历史,假定能量辐射率基本不变,累计损耗的质量可达6.305×1022t,也只不过是太阳全部质量1.989×1027t的0.03％.根据银河系内部不同演化阶段的恒星演化史推算,太阳现在仍处于壮年期,它的寿命估计可达到100亿年.所以从人类历史的时间尺度来看,太阳的热核反应和能量辐射是取之不尽的能量来源.
（3）太阳活动与黑子周期
太阳正处于由中心区氢核聚变而辐射巨大能量阶段,总辐射量变化不到1％.太阳表面的大气圈从里向外分为光球、色球和日冕三层,其中灼热的等离子气体密度很小（光球部分相当地球大气压力的百分之一,日冕部分仅为十亿分之一）,直接受太阳磁场的支配处于局部的剧烈运动之中,称为太阳活动（solaractivity）.
太阳活动的最基本标志是日面光球上经常出没的“暗黑”斑点,即黑子（sunspot）.黑子其实也发光,只是因为温度比周围光球低1000℃左右,在明亮光球反衬下看起来呈暗黑色.黑子的直径可自2×103～3×103km至1.5×107km,中心部位凹陷约500km,一般认为它是太阳表面剧烈活动所激起的气旋涡.小的黑子仅存在数小时,大黑子群则可延续几个月.黑子在日面的移动可据以证明太阳也有自转,其赤道部分约25日自转一周.黑子分布范围主要集中于日面南、北纬5°～25°之间.
每个黑子周期开始时,黑子一般出现在纬度±30°附近；黑子数最多的高峰期,则出现在纬度约±15°处；黑子周期结束时,赤道附近的黑子又都消失,下一个周期的黑子又开始在纬度±30°附近出现（图1-3）,黑子时空分布形状很像一群蝴蝶,故又称蝴蝶图.
根据中国古代史书记载和17世纪以来利用望远镜观察的黑子资料,平均长度为11.1年的黑子周期已获得公认（图1-4）.
太阳活动的种类较多,除黑子外,还有色球层的光斑、耀斑、日珥以及日冕层的膨胀等,大都随黑子的变化同步起落,体现了太阳活动的整体性（图1-5）.其中最突出的是太阳黑子群里的耀斑爆发,可以在一二十分钟内释放出相当于10亿颗氢弹爆炸的能量,抛出的大量高能粒子流到达地球附近时,扰乱了地球磁场,类似地球磁场突然发生一场风暴,称为磁暴.磁暴发生时会导致地球上短波无无线电通讯中断、罗盘指针剧烈颤动而失去作用和1989年3月13日加拿大魁北克发电厂变压器受损而大停电等现象,对于人类的通讯、生活、军事等活动造成直接危害.
太阳日冕密度虽小,但温度高达摄氏二百万度,当日冕外部以超音速（约450 km／s）向外膨胀时,可扫过地球达到木星轨道,称为太阳风,其密度约8个质子每立方厘米,是行星际物质的重要来源,它对地球大气圈和月球土壤圈也有显著影响.
越来越多的资料使人们注意到,太阳活动的各种现象与地球上气候、水文、地震、疾病流行等现象之间存在某种复杂关系（图1-6）.对于太阳活动的长期观测,又相继发现了太阳黑子的22年磁周期、80年周期和数百年一遇的17世纪太阳活动蒙德极小期；后者尚未获得公认,但时间上正好对应我国明末清初的著名灾害群发期.必须指出,这种周期并不是数学上的严格周期,而只是一种平均周期,或称为准周期.由于太阳活动形成机制及其对地球的影响,迄今还没有公认的科学结论,这个重要的科学奥秘尚待天文学、物理学和地球科学等联合攻关,逐步予以探明.