太陽核心

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太陽核心

一般认为太陽核心是由太阳中心點至0.2倍太陽半徑的區域[1],是太陽系內溫度最高的地方。它的密度高達150,000 kg/m³(是地球上水的密度的150倍),溫度則為15,000,000K(作为對比太陽表面的溫度大約是5,770K)。[2]

太陽構造圖:
1. 太陽核心
2. 輻射層
3. 對流層
4. 光球
5. 色球
6. 日冕
7. 太陽黑子
8. 米粒組織
9. 日珥

太阳核心由高温高密度的等离子体(离子和电子)组成,中心压力估计约为2,650万吉帕斯卡[3]。由于中心的核聚变活动,太阳等离子体的中氢的质量占比从外核的约占70%,下降到中心的34%。[4]

核心质量占太阳总质量的34%,但体积仅占3%,且产生了99%的太阳核聚变能。太阳中心的核聚变由两种不同的反应主导:质子-质子链反应(负责太阳大部分能量释放)以及CNO循环,反应的最终结果均为四个氢原子核融合成一个氦原子核。

组成成分

太阳的组成成分随着深度的增加而变化。在光球层(太阳的可见表面),约占73%至74%的质量,其余主要为,这与木星的大气组成以及大爆炸后最早星际气体的原始组成相同。在太阳内部,核聚变反应减少了氢的占比。氢的质量占比在到达核心半径后开始迅速下降(在太阳半径的25%处,氢仍占约70%质量),并在太阳核心内随半径急剧下降,直到在太阳中心降至约33%。剩余等离子体中含有约2%重元素,其余约65%则为氦。[5]

能量供應

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質子﹣質子鏈反應太陽或更小的恆星上佔有主導的地位。
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碳氮氧-I循環 - 氦核在左上方那一步驟釋放。。

太陽的能量主要來自將融合为時的核融合反應。核心是太陽內部唯一能經由核融合產生能量的地方,以陽光的形式釋放出,從核心向外傳輸的能量加熱了太陽其餘的部分。所有經由核融合產生的能量在太陽內部必須多次遊遍各個層次之後,才能以陽光或微粒的動能形式逃離太陽。

核心反应速率与平衡

在太阳核心内,每秒鐘大約有 3.6×1038質子(氫原子核)聚变成為原子核;每秒鐘 430 萬噸的質量轉換成能量;每秒鐘釋放出的能量是 3.87×1026 焦耳,相當於 9.1×1010 百萬噸TNT爆炸当量。核融合的效率取決於密度,所以融合的效率在核心會取得自動修正的平衡:融合速率略微升高將加速核心釋放出更多的熱量,熱膨脹會將質量向外推擠使密度略微下降使反應速率下降。這種速率下降造成核心的收縮和冷卻,又會加速融合的效率,使他再恢復到原來的状态。

然而,由于太阳核心中的氢原子核会逐渐聚变成更重密度更高的氦原子核,太阳会在主序星阶段逐渐变热。这会逐渐增加了核心的内部重力,促使核聚变速率逐渐提高。由于核心密度逐渐增大,这一过程会随着时间推移逐渐加速。在过去的四十五亿年中,太阳的亮度估计增加了30%[6],并将继续以每亿年1%的速度变亮[7]

能量的傳輸

在核融合釋放出的高能量光子γ射線X射線)經由迂迴曲折的路徑與減速,和在一定的吸收和再輻射轉換成更低的能量型態後,才能抵達太陽的對流層(相當於地球的地函),因此需要很長的時間才能抵達太陽的表面。 估計「光子旅行時間」可以長達5,000萬年[8],最短的也要17,000年[9]。最后,光子穿過透明的光球層之後抵達表面,以可見光的型式離開太陽。在核心产生的单个γ射線光子在离开太阳進入太空之前,都已經通过吸收和再辐射被轉換成數百萬個可見光的光子。但同樣在核心產生,不同於光子的中微子,却几乎不与等离子体相互作用,因而几乎立刻就能抵達太陽的表面並逃逸入太空。許多年來,測量到的来自太阳的中微子數量都遠低於理論上的預測,因而產生了太陽中微子問題。直到最近才經由對中微子振盪的理解,解決了這個問題。

參考資料

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