太阳位于太阳系中央，同时是太阳系中最大的天体，当然会引起大家的好奇心。我们知道，太阳是一个能够发光发热的巨大球体，但球体的大小是多少呢，它距离我们多远呢？如果我们知道了太阳到地球的距离，那么就能算出太阳的大小。根据几何知识可知，我们首先需要测量出太阳直径在我们视野中的视角，然后借助于太阳到我们的距离就能得出太阳的直径。这是一个非常简单的三角问题。现在，我们精确测量出太阳直径在我们视野中的角度是32分，这让我们明白太阳与我们的距离是太阳直径的107.5倍，所以用日地距离除以107.5得到的就是太阳的直径。

太阳到地球的平均距离是14960万千米，除以107.5得出太阳的直径大约是139万千米，大约是地球直径的110倍。由此可知，太阳的体积大约是地球体积的130万倍。

不过，太阳的平均密度是地球平均密度的1/4，大约是水的密度的1.4倍。太阳的质量大约是地球质量的33.2万倍。

太阳表面的重力大约是地球表面重力的28倍。如果人们可以站在太阳上，那么，一个普通人的体重大约是2吨，完全可以将自己压倒。

对于我们来说，太阳非常重要，因为它可以提供光和热。如果没有太阳，地球将会永远是黑夜，而且很快就会陷入永恒的严寒中。大家都知道，在晴朗的夜晚，地面白天从太阳中吸收的热量会慢慢散发到空中，所以夜晚比较冷。假如失去白天的输入，热量将会一点点地流失。我们想象一下，如果失去了太阳会出现什么情况：首先会失去光明，月亮和许多行星会变得暗淡，甚至无法看见它们。空中布满了平时很难见到的众多星星，但由于它们距离我们非常遥远，所以无法带给我们光明和温暖。这时候，人们会感觉到寒冷，好像进入冬天的夜晚一样。但是，这只是开始，由于黎明不会来临，所以气温会一直下降，直到比南北极更加寒冷。由于缺少阳光，所以光合作用无法进行，植物无法成长。不过，这已经无关紧要了，因为不断下降的气温会将全部生物冻死。由于水能够很好地储存热量，所以海洋温度的下降比较慢。但是，几个月之后，所有的海洋都会结出厚厚的冰。如果温度继续下降，空气将会变成液体，最后地球成为银白色的毫无生机的星球。经过几个世纪的持续降温，地球的温度不会高于2K（零下271.15摄氏度）。

现在，我们回到现实中，分析一下无比重要的太阳吧！

平时，我们常常看见的太阳表面被称为“光球”（photosphere），便于与外部的透明部分和内部看不见的部分相区分。在我们眼中，光球的各个部分相同，没有什么不同，但通过添加滤光镜的望远镜会发现，表面布满了斑点。我们经过更认真的观察得知，这是光球表面许多不规则的小颗粒造成的。

对比光球各个部分的光度会发现，球面中心要比边缘部分明亮得多。即使不用望远镜也能看出这种区别。如果我们用一块黑玻璃挡住眼睛或者黄昏期间观察落日，便会发现太阳边缘的亮度比较低，而最边缘亮度大约是中央亮度的1/2。此外，边缘和中央的颜色也有一定的区别，边缘要比中央暗红许多。

我们仅仅能够观察到光球，无法观察到内部结构。虽然光球看起来很光滑，好像皮球一样，但光球的密度非常低，大约是空气密度的万分之一。当我们观察光球时，需要穿过几万千米的“太阳大气”。由于这种大气非常厚，所以光球的边缘比较红，在太阳大气更高更冷的地方，那里的光更红，而且更加微弱。

太阳的自转

我们经过更细致的观察发现，与地球相似，太阳也通过中心轴自东向西转动。参考地球的情况，我们将转轴和表面的两个交点叫做太阳的“两极”，将两极中间的最大圈叫做太阳的“赤道”。太阳赤道自转一周的时间是25.4天，太阳赤道的长度大约是地球赤道长度的110倍，所以它的自转速度是地球赤道自转速度的4倍多。因此，太阳赤道的自转速度大约是2000米/秒。

太阳自转的奇妙之处在于，距离赤道越远自转周期越长，而太阳南北极附近自转周期大约是36天。如果太阳是固体物质，那么，太阳各个部分的自转速度都是一样的。因此，太阳不是固体物质，至少表面一层不是固体。

太阳赤道与地球赤道平面不是平行的，而是呈7度的夹角。至于太阳赤道的方向，太阳的北极在春天背离我们7度，而能够见到的圆面中心位于太阳赤道南部大约7度的位置；夏天和秋天的情况恰好相反。

太阳的黑子（sun-spots）

当我们用望远镜观察太阳时，总会发现太阳表面有一些黑色的斑点，我们将这些斑点叫做黑子。太阳自转带动着这些黑子运动，正是这些黑子让我们得出太阳的自转周期——圆面中央的黑子6天后会移动到西部边缘去，接着消失不见；大约半个月后，这个黑子会出现在东部边缘上。

黑子有大有小，而且有着很大区别，小的需要使用最好的望远镜才能看见，而大的通过涂黑的玻璃用肉眼就能看见。它们出现的时候总是成群的，虽然单粒黑子难以看见，但肉眼能够看见黑子集团。一个黑子的直径可能是8万千米，但一群黑子能够占据太阳表面圆盘的1/6。

一群黑子会按着与太阳赤道平行的圈子慢慢发展。在太阳自转方向上，领头黑子是黑子群体中体积最大、寿命最长的，往往其他黑子都消失了，它依然还存在。一群黑子中最后形成的往往比较大，而最后常常会剩下其中几个。黑子中央的黑暗部分称为“本影”（umbra），边缘比较亮的部分称为“半影”（penumbra）。在分散时，黑子会分裂成一些不规则的碎片。400年来，我们通过对太阳黑子的观测（中国对黑子的观测可以向前追溯到《周易》中所说的“日中见斗”和“日中见沫”，但准确记录出现在汉成帝河平元年，也就是公元前28年；而西方直到1611年，伽利略才通过望远镜观察到太阳黑子）得知，太阳黑子出现的频率具有规律性，周期大约是11年。某些年份太阳表面的黑子比较少，甚至是完全没有，1912年和1923年就是如此。第二年，黑子的数目比较少，之后慢慢地增加，大约5年后是顶峰时期。此后，开始一年年减少，直到彻底消失。然后，开始进入新的周期。伽利略时代，人们就发现了这个变化过程，直到1843年，施瓦布（Schwabe）提出了黑子的循环周期。

太阳黑子数目的变化周期属于11年循环周期之一，太阳和地球上的许多现象都要服从这种周期：“日珥”（prominences）常常出现在黑子数量最多时；“日冕”（corona）的形状随着黑子数目的变化而改变；地球上的“磁暴”（magnetic storm）——扰乱无线电信号传输、破坏精密的电子设备等——与黑子的强度大小和出现频率相一致；“极光”（aurora）在黑子数量最多时频繁出现，而且无比壮观；气候则不会发生什么变化。

显然，太阳黑子的形成及其周期性与太阳的磁场有着密切关系。当前非常热门的太阳发电机理论想要研究清楚太阳对流层中的流体运动与磁场的相互作用，然后以此解释太阳黑子的周期性和太阳磁场是如何维持的。1919年，拉莫尔（Lamor）发表了太阳发电机概念；1955年，帕克（Paker）发表了自激发电机理论，为湍流发电机理论的提出奠定了物理基础。根据这种理论得知，只有磁场很强的太阳活动区才会出现太阳黑子，内部作用会形成周期性振荡，而且表面磁场也会出现微小变化。

太阳黑子的分布有着一定的规律：并不是整个太阳表面都有黑子，而是散布在太阳纬度的某些部分上。太阳赤道上很难见到黑子，但赤道的南北方向逐渐增多，南北纬的15度到20度的地方黑子数目最多，接着慢慢减少，30度之上已经很少见了，正如下图所示。如果我们用一个圆表示太阳，观察到一个黑子就在相应的位置画一个点，几年之后就会得到下面的图。

太阳黑子的纬度分布

太阳表面不仅会出现黑子，还常常出现比光球更亮的斑点，这些斑点往往出现在黑子附近，它们叫做“耀斑”（facula）。

黑子的出现表示太阳上有了风暴，这类似于地球上的飓风，只是更加剧烈。太阳漩涡中的炙热气体快速上升，到达压力比较小的光球之后会喷发出来，迅速穿过表面。这种膨胀促使周围的温度快速下降，同时削弱了此区域的光辉，这就形成了太阳黑子。其实，菌状漩涡的平顶依然很热很亮，只是与周围平静的太阳表面相比温度低一些，所以看起来比较暗淡。

由于地球的自转，所以地球上的所有漩涡（包括飓风）在北半球逆时针转动，而在南半球顺时针转动。太阳黑子与其相似，太阳赤道南部和北部的黑子的旋转方向恰好相反，所以很容易分辨出太阳的自转方向。不过，与地球上的风暴相比，太阳上的风暴复杂得多，因为领头黑子的旋转方向和随从黑子的旋转方向常常相反，而随后生成的黑子的旋转方向受到已经存在的黑子群的影响，所以变得更加复杂。

由于太阳黑子漩涡中心的压力比较低，所以周围的空气会涌向中心，在下降过程中依然在旋转。

100多年前，美国的海尔（Hale）和法国的德朗德（Deslandres）都独自发明了太阳单色光照相仪（spectroheliograph）。它可以连接在望远镜上，为某个特定元素发出的光拍照，如钙光或者氢光。当用这种仪器为太阳拍摄氢光照片时，拍摄到的“谱斑”（flocculi）显示了太阳黑子附近存在的漩涡。

20世纪60年代之后，为了消除大气层在地球观测中的不良影响，空间探测器和各种人造地球卫星陆续发射升空，如太阳辐射监测卫星、轨道太阳观测站、国际日地探险者、太阳风年探测卫星，等等。这些装载着各种精密仪器的卫星全方位、多角度地仔细研究了太阳，其中含有黑子周期现象，而且取得了许多有价值的科研成果。在这些卫星的帮助下，我们能够准确地知道何时会出现太阳黑子和耀斑，从而及时防范磁暴对电子设备造成的各种破坏。

日珥和色球

日珥是太阳中一个非常有趣的现象。当我们在研究日珥时，曾经发生过一段有趣的故事，后文讲述日食时会说到。日珥指的是太阳各个部分向外射出的非常稀薄的大气团。它们非常大，地球在其中就如同烛焰中的一粒沙子。它们上升时的速度非常快，甚至一秒钟高达几百千米。它们常常出现在黑子附近，但不是仅仅出现在那些地方。由于太阳周围是耀眼的光焰（这是地球周围的大气层的折射作用造成的），所以我们的肉眼无法看见它们，甚至用望远镜也看不清楚——除非是日全食时，因为月球的干涉抵消了那一层光焰。那时，我们的肉眼就能看见日珥，好像是月亮边缘上出现的火焰。

日珥分为两类：一类是爆发日珥，另一类是宁静日珥。前者在太阳上出现时像是不断翻腾的巨大火浪，后者只是静静地悬挂在太阳上面，好像空中的云朵。我们不知道什么东西在支撑着日珥，或许是太阳光的排斥力。

我们通过分析光谱得知，氢、钙、少量其他元素共同构成了日珥。由于含有大量的氢元素，所以日珥是红色的。我们经过深入研究发现，日珥与光球周围的薄气有着紧密联系。这层薄薄的气体被称为“色球”（chromosphere），它也是深红色的，与日珥的颜色相同。这一点让我们明白，色球的基本元素与日珥的相同，而氢也是它的主要成分。

需要注意的是，太阳外面的物质还有日冕。在全日食时，日冕才会出现在太阳周围，它是环绕着太阳的柔美光辉，有时长度甚至会超过太阳的直径。而且，日冕是以非常稀薄的气体构成的。在后文的日食一节中，还会涉及到日冕。

太阳风

在很久之前，人们就观察到彗星的尾巴一直背对着太阳，所以猜测从太阳中“吹”出来的某种东西造成了这种现象。1958年，人造卫星装载的粒子探测器探测到太阳中不时会射出微粒流。美国的帕克将其叫做“太阳风”。

太阳风指的是太阳大气最外层的日冕不停射向空中的物质粒子流。这种粒子流来源于日冕的冕洞。

我们长期观测之后发现，太阳风主要是由质子、电子、氦原子核构成的。其中，大约含有91%的质子、8%的氦原子核，还有少量的电离氧、铁等元素。密度不是固定的，而是时时在发生变化。

太阳风分为两种。第一种是“宁静太阳风”，一直向外辐射粒子，速度很小，来到地球附近时的平均速度大约是450千米/秒，而且粒子含量很少，每立方厘米大约含有几个质子。

第二种是“扰动太阳风”，太阳活动剧烈时辐射出来的粒子，速度很快，来到地球附近时的平均速度大约是2000千米/秒，而且粒子含量较多，每立方厘米大约含有几十个质子。这会对地球造成很大的影响，当它到达地球之后，常常引发大磁暴和强极光，还扰乱电离层，强烈影响着依靠电离层反射传播的短波通信。

太阳的结构

现在，我们仔细回想一下，我们常常见到的太阳是什么样子的呢？

首先是巨大球体的内部，但我们永远无法见到。

我们所能看见的是太阳的光球表面，但这还不是太阳的真正表面，而是球体光度非常大的部分。在这个气层上，常常会出现一些黑子和耀斑。

太阳的结构

光球顶上还有一层气体，这层气体叫做色球，任何时候使用分光仪都能够看见它，但只有在日全食时才能直接用肉眼看见。

红色的色球中喷发出来的红色火焰叫做日珥，而包围在色球外面的是日冕。

这就是我们见到的太阳结构。不过，太阳到底是什么呢？它是固体物质、液体物质、气体物质，还是其他形态呢？

我们通过太阳的自转已经明白，看得见的太阳表面不是固体物质。我们知道，太阳表面各个部分有着不同的自转周期。而且，由于太阳的温度太高，所以它不可能是液体，更不可能是固体。许多年来，大家都认为太阳内部是许多等离子体，这是一种非常奇妙的物质，太阳的巨大引力使其变得很致密。其实，根据物理理论，我们觉得太阳内部符合理想气体的状态方程，所以我们可以认为太阳是气体物质。

每个人都知道太阳是炙热的。虽然太阳距离我们有1.4亿千米，但我们在炎炎夏日依然能够感受到太阳的强大威力，所以太阳本身当然更热了。通过适当的测量能够看出这一点，太阳光球的温度大约是6000多摄氏度。

虽然可以使用不同方法测量太阳表面的温度，但得到的结果是相同的。这些方法遵循相同的原则：辐射体温度和辐射功率两者之间有着密切的关系。例如，辐射与温度的4次方具有比例关系。这就是斯特藩定律（Stefan’s law）。这个定律让我们明白，当辐射体的温度升高一倍时，向外辐射的热量将会增加16倍。

如果将1厘米深的冷水放在平底盆中，让阳光直接照射。1分钟之后，如果不会受到空气的影响，而且热量不会损失的话，那么，水的温度将会上升大约2摄氏度。

因此，假如有一个球形壳是1厘米厚的冷水组成的，半径等于地球和太阳之间的距离，而且将太阳包围起来，那么，1分钟后冰水的温度就会升高。由于这层壳将太阳包围住了，所以在1分钟之内接受了太阳的全部辐射。

通过计算得知，太阳表面的每平方米都在不停地向外辐射能量，一次大约能够放出6.2万千瓦的能量。根据辐射定律，我们能够推导出太阳的温度。实际上，我们不必使用水盆和普通温度计，只要使用“太阳热量计”（pyrheliometer）这种精巧的仪器就可以了。在史密森天体物理学天文台中（Smithsonian Astrophysical Observatory），这种仪器已经被使用好几年了。

由于我们不清楚太阳的内部结构，所以很难得出关于太阳内部结构的确切概念。不过，我们可以假设深处的压力和温度都比较高。1870年，美国物理学家莱恩（Lane）曾推测太阳的内部温度，他假设内部各处均处于平衡状态。太阳下面热气体的膨胀力支持着太阳内部全部物质的重量。需要解决的是，计算出内部的炙热程度，以便太阳的重量不会将自己压碎。

20世纪30年代，英国的著名学者爱丁顿（Eddington）、詹姆斯（Jeans）、米尔恩（Milne）等人开始研究太阳及星辰的内部理论。爱丁顿通过计算得知，太阳中心密度大约是水的密度的50倍，温度大约是三四千万摄氏度。不过，米尔恩计算出的太阳中心密度和太阳温度要比这两个数字大得多。根据太阳模型得知，太阳内核的气体处于高度压缩状态，中心密度大约是水的密度的150倍，温度大约是1560万摄氏度！

太阳的热源

太阳表面的每平方米随时释放的能量都是6.2万千瓦。由于知道了太阳的直径是140万千米，所以很容易计算出太阳的表面积。我们再用这个数字乘以6.2万，得到的是以千瓦表示的太阳随时释放出来的全部能量。根据地质学家和生物学家的说法，太阳已经以这样的强度照耀着地球5000万年了，这时我们会发现一个难题。

这种巨大的能量来源于哪儿呢？当然，它是由光球直接射出的。不过，一定需要有新能量不停地提供给光球，才能促使能量不停地释放啊！那么，这种让太阳照耀着地球5000万年的内部供给究竟是什么呢？这种供给是否会枯竭呢？

根据能量守恒定律，能量不会消失不见，更不会无中生有，只会从一种形态转变成另一种形态，但宇宙间的总能量是不变的。除非太阳可以从外面吸收能量，否则它的储藏将会一直减少。我们可以假设这个储藏总有一天会消耗殆尽，太阳会越来越暗淡，最后彻底无光。不过，太阳已经照耀地球这么长时间了，光辉好像丝毫没有减弱，这是怎么回事呢？

200多年前，物理学家亥姆霍兹（Helmholtz）提出了太阳热的收缩学说，此后很长时间被科学家们认为是真理。他认为：假如每年太阳半径都会收缩43米，那么，正好抵消太阳一年辐射的能量。根据这个学说，以前的太阳更加巨大，而且更加稀薄。此外，将来的太阳总有一天会紧密得无法收缩，无法弥补由于辐射减少的热量。几百万年之后，太阳将会冷却，地球上的一切动植物都会死亡，因为它们无法得到所需的能量。

收缩学说展示给我们的是一幅暗淡的前景，而且预示了世界末日就在不远的将来，至少以天文尺度来说非常短暂。不过，19世纪初期，收缩学说遭到强烈反对，无论太阳是如何收缩成现在这样子的，根据太阳现在的发光率，只要2000多万年就能积累足够的热量。不过，根据这个比例得知，太阳的照射时间要比这个时间长很多，所以收缩学说无法解释太阳在过去如何弥补辐射出的能量。因此，对于这个理论推测出来的未来光景，我们也要持怀疑态度。实际上，由于没有事实能够证明太阳确实在收缩，所以人们逐渐放弃了收缩学说。

20世纪初期，随着相对论和物理学的不断进步，人们意识到太阳和恒星的能量是核能释放出来的。我们通过光谱观测得知，恒星内部含有大量的氢，而氢能够释放出许多核能。在高温和高压下，氢聚变为氦时会释放出巨大的核能，所以恒星和太阳能够长时间向外辐射能量。

1926年，英国剑桥大学天文学教授阿瑟·爱丁顿（A. Edington）爵士的著作《恒星内部结构》一书出版，这本书讲述的是恒星内部情况，还有恒星的物理特征。爱丁顿推测，太阳借助于重力将物体聚集起来，重力促使物体向中心聚拢。在太阳内部，由于高温气体形成的压力和重力方向恰好相反，所以这两个力相互平衡。当处于平衡点时，根据经典力学和热力学原理，我们通过计算得出恒星中心的温度大约是4000万摄氏度。爱丁顿认为，这样的高温能够促使氢核发生聚变，提供给太阳和恒星巨大的能量。

不过，物理学家们不认同爱丁顿的观点。他们认为，只有几百亿摄氏度的高温才能促成这种聚变，4000万摄氏度的温度太低，无法克服原子核之间的巨大电磁力。但是，美籍俄裔核物理学家和宇宙学家乔治·伽莫夫（G. Gamow）已经证明物理学家们的推测不正确。

伽莫夫认为，尽管核力约束着镭核内的各种粒子，但根据现代量子理论可知，它们绝对不是无法分裂α粒子，虽然发生这种事情的概率非常低。核力约束着镭核中的粒子，好像一座堡垒将它们紧紧包围起来，粒子的能量无法穿透堡垒来到外面。不过，量子力学认为，核内的粒子不一定要穿过堡垒，它们偶尔可以从堡垒的一条通道中过去。这种现象被人们称为“量子隧穿”。伽莫夫深入解释，如果粒子能够从里面穿透堡垒来到外面，那么，粒子同样可以从外面进入原子核中。

1929年，英国天文学家罗伯特·阿特金森（R. Atkinson）和德国核物理学家弗里茨·豪特曼斯（F. Houtermans）联合发表了《关于恒星内部元素结构的可能性问题》一文，用伽莫夫提出的量子隧穿理论分析恒星的内部能量问题。他们认为：恒星内部的质子能够穿过堡垒进入到可以发生聚变的范围中，然后进行轻核聚变释放出巨大的能量。这样一来，在比较低的温度下，氢就可以聚变为氦提供太阳辐射所需的能量。由于发生这种反应的温度是几千万摄氏度，所以人们将这种反应叫做“热核反应”。

天文观测显示，太阳的核心物质是等离子状态，完全满足热核反应的物理条件。那么，太阳和恒星内部的氢经过怎样的过程才能聚变为氦呢？1938年，美国核物理学家汉斯·贝特（H. Bethe）和查理斯·克里奇菲尔德（C. L. Critchfield）发现了氢聚变为氦的方法，将其叫做“质子—质子循环”。在这个反应中，1克氢能够释放出的核能是6700亿焦耳，这些核能马上就能转化成热能，并以对流和辐射的方式输送到太阳的外层空间中去。

贝特和德国弗里德里希·冯·魏茨泽克（F. V. Wetabckor）各自发现了将氢聚变为氦的“碳循环”方法。我们通过现代天文学观测得知，质子—质子循环为太阳提供了98%的能量，而碳循环为太阳提供了2%的能量。由于创立了这个理论，贝特获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

太阳的演化

现代观测显示，太阳拥有50亿年的历史了。太阳是一个典型中等质量恒星，一直在燃烧着自身拥有的核能，同时将氢聚变为氦。现在，人们越来越了解恒星的演化历史，并且推算出太阳的生命历程。

幼年时期，星云受到自身的引力作用不断收缩，密度变得越来越大，温度也越来越高，几千万年之后形成了原始太阳。

青年时期，太阳处于很稳定的主星序列（详细内容参考“恒星”一章）中，根据观测得出的氢和氦的丰度推测，太阳的生命还有长长的50亿年。现在，太阳恰好是鼎盛时期。

中年时期，大约会有10亿年之久。当热核反应的燃烧圈大约是半径的1/2时，将会无法支撑太阳本身带来的巨大引力，所以中心开始塌缩。在塌缩过程中，太阳会释放出巨大的能量，从而导致太阳外部迅速膨胀，此时太阳的体积非常大，密度非常小，表面具有很高的亮度，最后将会变成一颗红巨星。那时候，太阳直径大约是现在直径的250倍，将会把地球吞没。

老年时期，太阳将会变成一颗脉动变星，内部的核能消耗完之后，全部都会坍塌，被压缩成一个密度非常大的核心，冷却之后成为一颗白矮星，永远地留在宇宙中。