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第三章太陽、地球、月球 及時節太陽系的結構 現在，我們已經了解了地球及其周圍的天體是如何構成一個團體的。在宇宙中，這個團體是非常渺小的，而且無不足道，但對于我們有著重要意義，是我們生存的基礎。在詳細介紹太陽系的重要組成部分之前，我們先來簡單解釋一下太陽系的結構。

我們首先想到的是太陽。既然這個團體是以太陽這個名字命名，由此可知太陽的重要性。太陽位于太陽系中央，是一個能夠發光發熱的巨大球體，將光和熱不停地向外輻射，并且通過自己的引力維持著太陽系的運行。

接著是各種行星。它們環繞著太陽周圍，沿著各自的軌道運行，其中一個就是我們賴以生存的地球。行星(planet)一詞的本來含義是游移不定，古人以這個詞為它們命名的原因是，它們不像恒星一樣在天空中的位置固定不變，而是不停地在恒星之間穿梭。行星可以分為兩類：一類是大行星，另一類是小行星。

在太陽系中，有8顆大行星，它們是除了太陽之外的較大天體。它們與太陽之間的距離有近有遠，好像是以有規律的方式排列而成。最近的是水星(5800萬千米)，而最遠的是海王星(大約是45億千米)。水星繞著太陽運行一周的時間不足三個月，而海王星卻要花費將近165年的時間。

根據八大行星的質量和結構，可以將它們分為兩類：一類是類地行星，另一類是類木行星，即與地球相似的行星和與木星相似的行星。類地行星的主要成分是石和鐵等物質，體積小，密度大，自轉速度慢，而且衛星少。類地行星有水星、金星、火星；類木行星的主要成分是氫、氦、冰、氨、甲烷等物質，體積大，密度小，自轉速度快，而且衛星多，周圍是由碎石、冰塊或者氣塵形成的光環。類木行星有土星、天王星、海王星。

大行星分為兩群，由一道相當寬的空隙隔開。內層是4顆類地行星，它們要比外層的類木行星小很多，而這4顆行星的體積總和還不到外層天王星體積的1/4。

兩群大行星之間的空隙是無數小行星(asteroids)。與大行星相比，它們非常渺小。它們幾乎全部位于一條非常寬的帶子中，這條帶子的起點在距離地球不遠的地方，終點在10倍個地日距離外。其中，大部分小行星位于帶子的中間部分。它們與大行星的主要區別是：數量特別多。我們已經知道的小行星有一萬多顆，而且還在不斷地發現新的小行星，所以小行星的總數無法確定。

在太陽系中，第三類天體是衛星(satellites)，月亮(moon)就是其中之一。這些小天體常常圍繞著大行星運行。最內層的水星和金星沒有衛星，地球只有一顆衛星(我們所熟悉的月亮)，而外層土星已經被發現的衛星有62顆，木星被發現的衛星是66顆(截止到2012年2月)。因此，除了水星和金星之外，每一顆大行星都可以看成是類似于太陽系的小系統的中心，好像太陽系中心的太陽一樣。這些小系統也是以中央主星命名的。于是，便出現了火星系——火星及其兩顆衛星；木星系——木星及其66顆衛星，還有木星光環；土星系——土星及其62顆衛星，還有土星光環……

在太陽系中，第四類天體是彗星(comets)。它們繞著太陽運行的軌道是扁扁的橢圓。只有彗星接近太陽時我們才能看見它們，但對于它們中的大部分來說，往往要經過幾百年甚至幾千年才會出現一次。即使是彗星出現時，如果出現不利情況，我們依然無法看見它們。

除了上述的各個天體之外，許多微小的巖石塊(我們叫做流星體)都沿著一定的軌道繞著太陽運行，它們與小行星和彗星有著一點聯系。我們無法看見它們，除非是它們進入到地球周圍的大氣層中，那時我們將它們稱為"流星"(shootingstars)。

不過，我們不會根據這個表格順序講述各大行星。在我們描述完太陽之后，將會跳過水星和金星，開始論述我們的地球和月亮，然后再返回去談談其他行星。

第二節太陽 太陽位于太陽系中央，同時是太陽系中較大的天體，當然會引發大家的好奇心。我們知道，太陽是一個能夠發光發熱的巨大球體，但球體的大小是多少呢，它距離我們多遠呢？如果我們知道了太陽到地球的距離，那么就能算出太陽的大小。根據幾何知識可知，我們首先測量出太陽直徑在我們視野中的視角，然后借助于太陽到我們的距離就能得出太陽的直徑。這是一個非常簡單的三角問題。現在，我們測量出太陽直徑在我們視野中的角度是32分，這讓我們明白太陽與我們的距離是太陽直徑的107.5倍，所以用日地距離除以107.5得出的就是太陽的直徑。

太陽到地球的平均距離是14960萬千米，除以107.5得出太陽的直徑大約是139萬千米，大約是地球直徑的110倍。由此可知，太陽的體積大約是地球體積的130萬倍。

不過，太陽的平均密度是地球平均密度的1/4，大約是水的密度的1.4倍。太陽的質量大約是地球質量的33.2萬倍。

太陽表面的重力大約是地球表面重力的28倍。如果人們可以站在太陽上，那么，一個普通人的重量大約是2噸，可以將自己壓倒。

對于我們來說，太陽非常重要，因為它可以提供光和熱。如果沒有太陽，地球將會永遠是黑夜，而且很快就會陷入永恒的嚴寒中。大家都知道，在晴朗的夜晚，地面白天從太陽中吸收的熱量會慢慢散發到空中，所以夜晚比較冷。假如失去白天的輸入，熱量將會一點點地流失掉。我們想象一下，如果失去了太陽會出現什么情況：首先會失去光明，月亮和許多行星會變得暗淡，甚至無法看見它們?？罩胁紳M了平時很難見到的眾多星星，但由于它們距離我們非常遙遠，所以無法帶給我們光明和溫暖。這時候，人們會感覺到寒冷，好像進入冬天的夜晚一樣。但是，這只是開始，由于黎明不會來臨，所以氣溫會一直下降，直到比南北極更加寒冷。由于缺少陽光，光合作用無法進行，植物無法成長。不過，這已經無關緊要了，因為不斷下降的氣溫會將全部生物凍死。由于水能夠很好地儲存熱量，所以海洋溫度的下降比較慢。不過，幾個月之后，所有的海洋都會結出厚厚的冰。如果溫度繼續下降，空氣將會變成液體，地球成為銀白色的毫無生機的星球。經過幾個世紀的持續降溫，地球的溫度不會高于2K(零下271.15攝氏度)。

現在，我們回到現實中，分析一下無比重要的太陽吧！

平時，我們常?？匆姷奶柋砻姹环Q為"光球"(photosphere)，便于與外部的透明部分和內部看不見的部分相區分。在我們眼中，光球的各個部分相同，沒有什么不同，但通過添加濾光鏡的望遠鏡會發現，表面布滿了斑點。我們經過更認真的觀察得知，這是光球表面許多不規則的小顆粒造成的。

對比光球各個部分的光度會發現，球面中心要比邊緣部分明亮得多。即使不用望遠鏡也能看出這種區別。如果我們用一塊黑玻璃擋住眼睛或者黃昏期間觀察落日，便會發現太陽邊緣的亮度比較低，而最邊緣亮度大約是中央亮度的1/2。此外，邊緣和中央的顏色也有一定的區別，邊緣要比中央暗紅許多。

我們僅僅能夠觀察到光球，無法觀察到內部結構。雖然光球看起來很光滑，好像皮球一樣，但光球的密度非常低，大約是空氣密度的萬分之一。當我們觀察光球時，需要穿過幾萬千米的"太陽大氣"。由于這種大氣非常厚，所以光球的邊緣比較紅，在太陽大氣更高更冷的地方，那里的光更紅，而且更加微弱。

太陽的自轉

我們經過更細致的觀察發現，與地球相似，太陽也通過中心軸自東向西轉動。參考地球的情況，我們將轉軸和表面的兩個交點叫做太陽的"兩極"，將兩極中間的較大圈叫做太陽的"赤道"。太陽赤道自轉一周的時間是25.4天，太陽赤道的長度大約是地球赤道長度的110倍，所以它的自轉速度是地球赤道自轉速度的4倍多。因此，太陽赤道的自轉速度大約是2000米/秒。

太陽自轉的奇妙之處在于，距離赤道越遠自轉周期越長，而太陽南北極附近自轉周期大約是36天。如果太陽是固體物質，那么，太陽各個部分的自轉速度都是一樣的。因此，太陽不是固體物質，至少表面一層不是固體的。

太陽赤道與地球赤道平面不是平行的，而是呈7度的夾角。至于太陽赤道的方向，太陽的北極在春天背離我們7度，而能夠見到的圓面中心位于太陽赤道南部大約7度的位置；夏天和秋天的情況恰好相反。

太陽的黑子(sun-spots)

當我們用望遠鏡觀察太陽時，總會發現太陽表面有一些黑色的斑點，我們將這些斑點叫做黑子。太陽自轉帶動著這些黑子運動，正是這些黑子讓我們得出太陽的自轉周期——圓面中央的黑子6天后會移動到西部邊緣去，接著消失不見；大約半個月后，這個黑子會出現在東部邊緣上。

黑子有大有小，而且有著很大區別，小的需要使用好的望遠鏡才能看見，而大的通過涂黑的玻璃用肉眼就能看見。它們出現的時候總是成群的，雖然單粒黑子難以看見，但肉眼能夠看見黑子集團。一個黑子的直徑可能是8萬千米，但一群黑子能夠占據太陽表面圓盤的1/6。

一群黑子會按著與太陽赤道平行的圈子慢慢發展。在太陽自轉方向上，領頭黑子是黑子群體中體積較大、壽命最長的，往往其他黑子都消失了，它依然還存在。一群黑子中形成的往往比較大，而常常會剩下其中幾個。黑子中央的黑暗部分稱為"本影"(umbra)，邊緣比較亮的部分稱為"半影"(penumbra)。在分散時，黑子會分裂為一些不規則碎片。400年來，我們通過對太陽黑子的觀測(中國對黑子的觀測可以向前追溯到《周易》中所說的"日中見斗"和"日中見沫"，但記錄出現在漢成帝河平元年，也就是公元前28年；而西方直到1611年，伽利略才通過望遠鏡觀察到太陽黑子)得知，太陽黑子出現的頻率具有規律性，周期大約是11年。某些年份太陽表面的黑子比較少，甚至是沒有，1912年和1923年就是這樣。第二年，黑子的數目比較少，之后慢慢地增加，大約5年后是頂峰時期。此后，開始一年年減少，直到徹底消失。然后，開始進入新的周期。伽利略時代，人們就發現了這個變化過程，直到1843年，施瓦布(Schwabe)提出了黑子的循環周期。

太陽黑子數目的變化周期屬于11年循環周期之一，太陽和地球上的許多現象都要服從這種周期："日珥"(prominences)常常出現在黑子數量最多時；"日冕"(corona)的形狀隨著黑子數目的變化而改變；地球上的"磁暴"(magneticstorm)——擾亂無線電信號傳輸、破壞精密的電子設備等——與黑子的強度大小和出現頻率相一致；"極光"(aurora)在黑子數量最多時頻繁出現，而且無比壯觀；氣候則不會發生什么變化。

顯然，太陽黑子的形成及其周期性與太陽的磁場有著密切關系。當前非常熱門的太陽發電機理論想要研究清楚太陽對流層中的流體運動與磁場的相互作用，然后以此解釋太陽黑子的周期性和太陽磁場是如何維持的。1919年，拉莫爾(Lamor)發表了太陽發電機概念；1955年，帕克(Paker)發表了自激發電機理論，為湍流發電機理論的提出奠定了物理基礎。根據這種理論得知，只要磁場很強的太陽活動區才會出現太陽黑子，內部作用會形成周期性振蕩，而且表面磁場也會出現微小變化。

太陽黑子的分布有著一定的規律：并不是整個太陽表面都有黑子，而是散布在太陽緯度的某些部分上。太陽赤道上很難見到黑子，但赤道的南北方向逐漸增多，南北緯的15度-20度的地方黑子數目最多，接著慢慢減少，30度之上已經很少見了，正如下圖所示。如果我們用一個圓表示太陽，觀察到一個黑子就在相應的位置畫一個點，幾年之后就會得到下面的圖。

太陽表面不僅會出現黑子，還常常出現比光球更亮的斑點，這些斑點往往出現在黑子附近，它們叫做"耀斑"(facula)。

黑子的出現表示太陽上有了風暴，這類似于地球上的颶風，只是更加劇烈。太陽漩渦中的炙熱氣體快速上升，到達壓力比較小的光球之后會噴發出來，迅速穿過表面。這種膨脹促使周圍的溫度有所下降，同時削弱了此區域的光輝，這就形成了太陽黑子。其實，菌狀漩渦的平頂依然很熱很亮，只是與周圍平靜的太陽表面相比溫度低一些，所以看起來比較暗淡。

由于地球的自轉，所以地球上的所有漩渦(包括颶風)在北半球逆時針轉動，而在南半球順時針轉動。太陽黑子與其相似，太陽赤道南部和北部的黑子的旋轉方向恰好相反，所以很容易分辨出太陽的自轉方向。不過，與地球上的風暴相比，太陽上的風暴復雜得多，因為領頭黑子的旋轉方向和隨從黑子的旋轉方向常常相反，而隨后生成的黑子的旋轉方向受到已經存在的黑子群的影響，所以變得更加復雜。

由于太陽黑子漩渦中心的壓力比較低，所以周圍的空氣會涌向中心，在下降過程中依然在旋轉。

100多年