第二章大氣頂?shù)奶栞椪n件

第一節(jié)作為能源的太陽1、太陽結(jié)構(gòu)2、太陽表面的活動：太陽黑子1第一節(jié)作為能源的太陽1、太陽結(jié)構(gòu)1太陽太陽的X射線圖片2太陽太陽的X射線圖片2太陽3太陽3太陽（氣體球）基本特性半徑：696000km（相對地球109倍）質(zhì)量：1.989

1030Kg（相對地球33萬多倍）平均密度：1.41g/cm3（相對地球1/4）年齡：46億年，可繼續(xù)發(fā)光70億年組成：主要成分：原始的H（90%質(zhì)量）和He（10%），其它如鐵、硅、氖、碳等至少70種元素。太陽的溫度由中心（約5×106K）向表面（約5800K）遞減。4太陽（氣體球）基本特性42.1.1太陽結(jié)構(gòu)52.1.1太陽結(jié)構(gòu)52.1.1太陽結(jié)構(gòu)核反應(yīng)區(qū)太陽中心到1/4太陽半徑范圍內(nèi)是進(jìn)行熱核反應(yīng)產(chǎn)生能量的區(qū)域，占太陽體積的1/64，卻集中了太陽質(zhì)量的一半。這里溫度高達(dá)1500萬K，壓力可達(dá)3000億個地球大氣壓。在太陽中心區(qū)域這種超高溫高壓條件下，不斷進(jìn)行著大規(guī)模的氫熱核聚變反應(yīng)，釋放出巨大的能量。62.1.1太陽結(jié)構(gòu)核反應(yīng)區(qū)太陽中心到1/4太陽半徑范圍內(nèi)2.1.1太陽結(jié)構(gòu)輻射區(qū)核反應(yīng)區(qū)的外面是能量輻射傳輸區(qū)。熱核反應(yīng)產(chǎn)生的輻射能量在這里通過太陽各層物質(zhì)的吸收、發(fā)射、再吸收、再發(fā)射的過程向外輸送。熱核反應(yīng)產(chǎn)生的高能

射線經(jīng)過這個過程逐步降低頻率，最后成為太陽向空間輻射的較低能量的可見光和其他形式的輻射。72.1.1太陽結(jié)構(gòu)輻射區(qū)核反應(yīng)區(qū)的外面是能量輻射傳輸區(qū)。2.1.1太陽結(jié)構(gòu)對流區(qū)位于輻射區(qū)外，是太陽內(nèi)部稠密大氣的最外層，由輻射區(qū)輸送的能量使這里溫度達(dá)幾萬度到幾十萬度，稠密熾熱的氣體處于升降起伏的對流狀態(tài)。在太陽大氣中產(chǎn)生的各種活動現(xiàn)象(如黑子、耀斑等)都與對流區(qū)的活動有關(guān)。82.1.1太陽結(jié)構(gòu)對流區(qū)位于輻射區(qū)外，是太陽內(nèi)部稠密大氣2.1.1太陽結(jié)構(gòu)光球肉眼所見太陽的耀眼奪目的太陽視表面就是光球。它是太陽的明晰界限，通常意義下的太陽表面就是指的光球，太陽的直徑也以光球為界。它是太陽大氣的最底層，厚度僅約500km。光球的溫度由里向外逐漸降低，底部溫度約6000K，頂部溫度在4000—5000K之間。光球溫度與太陽內(nèi)部形成極大的溫度梯度，這種溫度分布顯著的不均衡，造成對流區(qū)大氣的劇烈的對流運動。

92.1.1太陽結(jié)構(gòu)光球肉眼所見太陽的耀眼奪目的太陽視表面2.1.1太陽結(jié)構(gòu)太陽大氣：光球?qū)又系膮^(qū)域稱為太陽大氣，它的特點是具有稀薄而透明的太陽氣體。太陽大氣分成色球?qū)雍腿彰醿蓚€區(qū)域。色球?qū)游挥诠馇驅(qū)又?，直到約2000km的高度。溫度由4000K左右的極小值向上增加，到2000km高度停留在4000-6000K之間，在此高度以上，溫度顯著增高，達(dá)到105～106K左右。102.1.1太陽結(jié)構(gòu)太陽大氣：10日冕：色球?qū)又系奶柎髿夥Q為日冕。在日全食的時候或使用日冕儀可觀測到一圈白光和淡黃光裹住了日輪，這就是日冕。它范圍可延伸到十幾個太陽半徑的地方，其物質(zhì)極其稀薄，它的亮度僅及色球的千分之一。日冕的形狀經(jīng)常在變化，厚度也處處不同。在太陽活動極大期，日冕呈圓形，太陽活動極小期的日冕在太陽兩極縮短，在太陽赤道帶突出。日冕的溫度極高可達(dá)100—200萬度。太陽光譜的遠(yuǎn)紫外線和X射線主要是在日冕中產(chǎn)生，太陽的射電輻射的大部分也產(chǎn)生在日冕中。日冕的溫度極高，說明日冕中的物質(zhì)是以極高的速度在運動著，日冕中的快速粒子能擺脫太陽引力場的束縛，向外膨脹而進(jìn)入行星際空間，這種現(xiàn)象叫做“日冕膨脹”。熱電離子連續(xù)不斷地從太陽流出，就形成太陽風(fēng)。11日冕：色球?qū)又系奶柎髿夥Q為日冕。在日全食的時候或使用日冕日冕及其微細(xì)結(jié)構(gòu)12日冕及其微細(xì)結(jié)構(gòu)122.1.2太陽活動現(xiàn)象指太陽表層的物質(zhì)運動和變化過程。在太陽大氣中可以觀察到各種活動變化現(xiàn)象，如太陽黑子的出現(xiàn)和消失、日珥的變化、耀斑的爆發(fā)等等，此外在太陽大氣中還可以觀測到不斷運動和變化著的米粒組織、譜斑、色球網(wǎng)絡(luò)、針狀物、噴焰等。太陽活動是太陽大氣里的一切活動的總稱。強(qiáng)烈的太陽活動能使一些波段的太陽輻射發(fā)生很大變化，并能把大量的物質(zhì)粒子射入空間，影響地球磁場和大氣層。太陽活動有時劇烈，有時平靜，存在一個11年的準(zhǔn)周期。當(dāng)太陽活動處于低潮時，稱為寧靜太陽；太陽活動處于高潮時，稱為擾動太陽。太陽活動主要是指擾動太陽的活動。擾動太陽的主要標(biāo)志之一是太陽黑子，特別是黑子群的頻繁出現(xiàn)，擾動太陽的另一個更重要的標(biāo)志是太陽耀斑的頻繁出現(xiàn)。耀斑是太陽上最強(qiáng)烈的，也是對地球影響最大的活動。132.1.2太陽活動現(xiàn)象指太陽表層的物質(zhì)運動和變化過程。在太陽美國科學(xué)家作出驚人預(yù)測：地球在3年后，即2012年，遇到史上最強(qiáng)的超級太陽風(fēng)暴（Solarstorm），并引發(fā)大災(zāi)難，短短90秒內(nèi)，太陽風(fēng)暴足以令全球陷入黑暗時代。

由于太陽發(fā)出的高能量粒子，影響地球磁場，依靠電力較大的歐美災(zāi)情最為嚴(yán)重，估計數(shù)以百萬計的人間接因此而死，復(fù)原時間長達(dá)10年。

新一期《新科學(xué)家》一篇文章寫道：“2012年9月22日午夜，紐約曼哈頓上空有色彩繽紛的光。數(shù)秒鐘后燈泡變暗、閃爍不定，但突然變得異常明亮，隨后熄滅。90秒鐘后，整個美東停電?！?/p>

這種有如科幻小說情節(jié)的景象，聽起來有些荒謬，但美國科學(xué)院報告聲稱，這些災(zāi)難在太空風(fēng)暴吹襲時，完全有可能發(fā)生。

通常，每隔11年就會進(jìn)入一個太陽風(fēng)暴活躍期，而未來最接近的一次超強(qiáng)太陽風(fēng)暴，最可能在2012年春分或秋分前后發(fā)生，受影響地區(qū)非常廣泛，北美、歐洲、中國等均難幸免。

史上最嚴(yán)重太陽風(fēng)暴1859年發(fā)生持續(xù)8日

歷史記載最嚴(yán)重的太陽風(fēng)暴，于1859年發(fā)生，當(dāng)時被稱為“卡林頓事件”。這場風(fēng)暴持續(xù)8日，全球各地的夜空，被白光照亮，人們的睡眠時間錯亂。幸運的是，當(dāng)時人類不像現(xiàn)時般依賴電力和科技生活，因此影響有限。

1989年3月13日，太陽風(fēng)暴對人類造成嚴(yán)重影響，美國和加拿大北部地區(qū)電壓器燒毀導(dǎo)致大停電，加拿大900萬人受影響。太陽風(fēng)暴也對中國造成影響，2001年4月10日中午，青島、蘭州、重慶和廣州等地通訊中斷半小時。2003年10月23日，北京錄得太陽風(fēng)暴爆發(fā)，多處無線電訊號受到干擾。

太陽風(fēng)暴是太陽因能量增加，釋放大量帶電粒子，形成的高速粒子流。太陽風(fēng)暴中的氣團(tuán)，主要含帶電等離子，以時速150萬至300萬公里闖入太空，對地球產(chǎn)生龐大沖擊，影響大氣的濕度和溫度，可令流感病毒更易傳播。

14美國科學(xué)家作出驚人預(yù)測：地球在3年后，即2012年，遇到史上2.1.2太陽活動現(xiàn)象-太陽黑子用小倍率的望遠(yuǎn)鏡，甚至肉眼就可看到在太陽光球上有一些黑的斑點，它是光球中的大氣渦旋，其中心溫度約為4200K，比周圍溫度低1000多度，因此顯得比光球暗。黑子通常成對出現(xiàn)，或以復(fù)雜的黑子群出現(xiàn)。太陽黑子幾乎完全限制在太陽赤道和南北緯40度之間的區(qū)域，絕不會在兩極附近出現(xiàn)。大部分黑子壽命不長，常不到一天，有一些黑子的壽命達(dá)一個月以上。長期記錄日面上的黑子數(shù)目，黑子數(shù)較多的時期，而過幾年黑子幾乎不出現(xiàn)，太陽黑子數(shù)的周期性變化，稱為黑子周期，兩次黑子極大之間的平均時間長度約為11年，所謂11年周期。152.1.2太陽活動現(xiàn)象-太陽黑子用小倍率的望遠(yuǎn)鏡，甚至肉眼2.1.2太陽活動現(xiàn)象-太陽黑子162.1.2太陽活動現(xiàn)象-太陽黑子162.1.2太陽活動現(xiàn)象-光斑在全色光照片上能看到一種比光球更明亮一些的斑點。它的溫度比光球高不了多少，據(jù)測定只比周圍高100一300K；平均壽命2—3d。光斑常出現(xiàn)在黑子的周圍，一般環(huán)繞著黑子，與黑子有密切的關(guān)系，光斑比黑子早出現(xiàn)幾小時或幾天。在色球?qū)又?，光斑之上緊接著分布著譜斑，形狀與光斑相似，是光斑在色球?qū)拥难永m(xù)。譜斑的溫度比周圍高，大部分譜斑附近有黑子群，其壽命比黑子長，它的大小從幾千公里到幾十萬公里，其面積大小也是太陽活動的強(qiáng)弱的標(biāo)志。172.1.2太陽活動現(xiàn)象-光斑在全色光照片上能看到一種比光球更2.1.2太陽活動現(xiàn)象-日珥色球?qū)又?，有時有巨大的氣柱升騰而起，如同火焰噴舌，可以達(dá)到幾萬公里甚至百萬公里以上的高度，然后落回日面，或脫離太陽的引力而消散不見。這些氣柱稱為“日珥”。它是突出在太陽邊緣外面的發(fā)光氣團(tuán)，呈朱紅色。一般在日全食時利用色球望遠(yuǎn)鏡或分光鏡等儀器進(jìn)行觀測時才能被看見。形態(tài)多變，大小不一，一般長約20萬km，高約3萬km，厚約5000km；有的氣流上升的速度較低，約10km/s，有的變化劇烈，達(dá)幾百公里/秒。日珥主要存在于日冕中，但下部與色球相連?？煞譃閷庫o日珥、爆發(fā)式日珥和活動區(qū)日珥三種。寧靜日珥壽命較長，在日面上表現(xiàn)為伸得很長的暗條。爆發(fā)式日珥比較罕見，運動速度可高達(dá)每秒幾百公里。當(dāng)上升到相當(dāng)高度時，會分裂出凝團(tuán)和股流，然后沿近似垂直的方向落回太陽。182.1.2太陽活動現(xiàn)象-日珥色球?qū)又?，有時有巨大的氣柱升騰而2.1.2太陽活動現(xiàn)象-耀斑色球中局部區(qū)域亮度突增的現(xiàn)象，表現(xiàn)為特別明亮的斑點，稱為色球爆發(fā)。耀斑的溫度很高，達(dá)1萬度左右或更高，常出現(xiàn)在太陽表面大黑子或黑子群附近，壽命由幾分鐘到幾小時。耀斑活動與黑子有密切關(guān)系，在一個黑子群的存在期間，平均每7h出現(xiàn)一個耀斑。耀斑是太陽大氣中的一種不穩(wěn)定過程，是太陽上最強(qiáng)烈的，也是對地球影響最大的活動現(xiàn)象。太陽所發(fā)射電波的強(qiáng)度可以在幾年內(nèi)不發(fā)生多大的變化，但當(dāng)日面出現(xiàn)耀斑時，太陽射電可以一下子增強(qiáng)幾百萬倍。在耀斑爆發(fā)時除發(fā)射可見光外，還發(fā)射大量的紫外線、X射線和

射線，還有紅外和射電輻射和高能粒子流，甚至能量特高的宇宙射線。耀斑的短波輻射和帶電粒子流到達(dá)地球后，會引起地球上一系列的地球物理現(xiàn)象，如磁暴、極光和電訊騷擾以至中斷等。從日地關(guān)系方面來看，耀斑的作用比太陽黑子的作用更加直接和重要。192.1.2太陽活動現(xiàn)象-耀斑色球中局部區(qū)域亮度突增的現(xiàn)象，表第二節(jié)地球繞太陽的軌道和太陽日射2.2.1繞日軌道的幾何形狀地球是太陽系九大行星之一。自轉(zhuǎn)：地球每24小時繞通過自己兩極的極軸向東穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)一周。自傳是引起包括晝夜交替在內(nèi)的所有時間周期變化的最顯著的原因。公轉(zhuǎn)：同時地球也在以太陽為一個焦點的橢圓軌道上，用大約365天完成一周的公轉(zhuǎn)。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道和地球自傳的軌道，是決定到達(dá)地球的太陽輻射能量的最重要因子。20第二節(jié)地球繞太陽的軌道和太陽日射2.2.1繞日軌道的幾何太陽系太陽系中太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8％，九大行星類地行星：水、金、地、火質(zhì)量小、體積小、衛(wèi)星數(shù)少、平均密度大、表面溫度高、公轉(zhuǎn)周期短、自轉(zhuǎn)周期長主行星：木、土、天王、海王特點與類地行星相反此外冥王星，大小、質(zhì)量近似類地行星；表面溫度、公轉(zhuǎn)周期又近于主行星小行星、彗星、流星21太陽系太陽系中太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8％，21太陽系22太陽系222323太陽的位置由太陽天頂角確定，太陽天頂角可由另一些已知的角度算出：cos

0=sin

sin

+cos

cos

cosh.24太陽的位置由太陽天頂角確定，太陽天頂角可由另一些已知的角度算太陽傾角黃道面與天赤道面有23o27'的交角，即黃赤交角。由于它的存在，太陽的周年視運動表現(xiàn)為對天赤道的往返運動，稱為太陽的回歸運動。太陽在天球上對于天赤道的角距離就是太陽的赤緯，稱為太陽傾角。太陽的回歸運動表現(xiàn)為太陽赤緯在23o27'一-23o27'之間的周期性變化。太陽在地球上的直射點，是在該時刻與太陽赤緯相同的地理緯度上，并且有相同的周期性變化。25太陽傾角黃道面與天赤道面有23o27'的交角，即黃赤交角。由7月北阿拉斯加午夜前后的太陽

太陽的位置和時間267月北阿拉斯加午夜前后的太陽太陽的位置和時間262.2.2太陽常數(shù)的定義太陽發(fā)射的電磁輻射在地球大氣頂上隨波長的分布叫做太陽光譜。太陽常數(shù)是一個表征到達(dá)大氣頂?shù)目偺柲芰浚òㄕ麄€太陽光譜）的數(shù)值。定義：在日地平均距離處通過與太陽光束垂直的單位面積上的太陽能通量，用S表示。272.2.2太陽常數(shù)的定義27太陽以6.2×107W.m

2的速率發(fā)射能量。根據(jù)能量守恒原理，且假定兩點之間沒有中間介質(zhì)，則由太陽發(fā)射的能量在某個距離以外必定保持原樣，于是：F⊙

4

a⊙2=S4

r02F⊙

代表太陽輻出度，a⊙為太陽半徑，r0為日地平均距離。所以：S=F⊙

(a⊙/r0)2太陽是各向同性發(fā)射體，所以：S=I

a⊙2/r02=I

Ω28太陽以6.2×107W.m2的速率發(fā)射能量。根據(jù)能量太陽輻射的能量主要集中在可見光波段，0.2～10.0

m波段占全部太陽輻射的99.9％。與其它物理量的測量相比，輻射量測量準(zhǔn)確度最低。目前千分之幾的準(zhǔn)確度就是世界水平，一般只有百分之五。最初在地面不同時間測量太陽輻射，用外推和訂正的方法計算大氣上界的太陽輻射（長法和短法），后來用飛機(jī)、氣球、火箭和衛(wèi)星測量太陽輻射。1976年美國宇航局（NASA）根據(jù)飛機(jī)和空間觀測的結(jié)果，公布了地日平均距離時大氣上界太陽輻照度（輻射能量密度）的譜分布，其太陽常數(shù)值為1353W/m2。1981年WMO的儀器與觀測方法委員會綜合各機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，建議太陽常數(shù)值取1366.97W/m2。按斯特藩-波爾茲曼輻射定律，其黑體溫度為5777K。29292.2.3日射的分布日射定義為：某一給定地點單位水平面上的太陽輻射通量。它主要取決于太陽天頂角，同時也依賴于日地距離的變化。302.2.3日射的分布日射定義為：某一給定地點單位水平面上的日射：每單位水平面上的太陽輻射通量。它強(qiáng)烈地依賴于太陽天頂角，在某種程度上也依賴于日地距離的變化。設(shè)日地平均距離處的太陽單色輻射能量密度為Fλ0，相應(yīng)太陽輻射總能量密度為F0，如果觀測或資料給出能量密度的光譜分布（樣本總數(shù)為N），則31日射：每單位水平面上的太陽輻射通量。它強(qiáng)烈地依賴于太陽天頂角大氣外界日射分布令d、dm分別為日地距離和日地平均距離，則對于日地距離的變化所對應(yīng)的實際輻射通量密度，可通過能量守恒（太陽發(fā)出的能量在離太陽不同距離處維持不變）得到32大氣外界日射分布令d、dm分別為日地距離和日地平均距離，則對大氣外界日射分布定義在大氣頂每單位面積接受的太陽能量為Q，則太陽輻射能量密度為給定時間范圍內(nèi)的日射為33大氣外界日射