第三章太阳、地球、月球 及时节太阳系的结构 现在，我们已经了解了地球及其周围的天体是如何构成一个团体的。在宇宙中，这个团体是非常渺小的，而且无不足道，但对于我们有着重要意义，是我们生存的基础。在详细介绍太阳系的重要组成部分之前，我们先来简单解释一下太阳系的结构。

我们首先想到的是太阳。既然这个团体是以太阳这个名字命名，由此可知太阳的重要性。太阳位于太阳系中央，是一个能够发光发热的巨大球体，将光和热不停地向外辐射，并且通过自己的引力维持着太阳系的运行。

接着是各种行星。它们环绕着太阳周围，沿着各自的轨道运行，其中一个就是我们赖以生存的地球。行星(planet)一词的本来含义是游移不定，古人以这个词为它们命名的原因是，它们不像恒星一样在天空中的位置固定不变，而是不停地在恒星之间穿梭。行星可以分为两类：一类是大行星，另一类是小行星。

在太阳系中，有8颗大行星，它们是除了太阳之外的较大天体。它们与太阳之间的距离有近有远，好像是以有规律的方式排列而成。最近的是水星(5800万千米)，而最远的是海王星(大约是45亿千米)。水星绕着太阳运行一周的时间不足三个月，而海王星却要花费将近165年的时间。

根据八大行星的质量和结构，可以将它们分为两类：一类是类地行星，另一类是类木行星，即与地球相似的行星和与木星相似的行星。类地行星的主要成分是石和铁等物质，体积小，密度大，自转速度慢，而且卫星少。类地行星有水星、金星、火星；类木行星的主要成分是氢、氦、冰、氨、甲烷等物质，体积大，密度小，自转速度快，而且卫星多，周围是由碎石、冰块或者气尘形成的光环。类木行星有土星、天王星、海王星。

大行星分为两群，由一道相当宽的空隙隔开。内层是4颗类地行星，它们要比外层的类木行星小很多，而这4颗行星的体积总和还不到外层天王星体积的1/4。

两群大行星之间的空隙是无数小行星(asteroids)。与大行星相比，它们非常渺小。它们几乎全部位于一条非常宽的带子中，这条带子的起点在距离地球不远的地方，终点在10倍个地日距离外。其中，大部分小行星位于带子的中间部分。它们与大行星的主要区别是：数量特别多。我们已经知道的小行星有一万多颗，而且还在不断地发现新的小行星，所以小行星的总数无法确定。

在太阳系中，第三类天体是卫星(satellites)，月亮(moon)就是其中之一。这些小天体常常围绕着大行星运行。最内层的水星和金星没有卫星，地球只有一颗卫星(我们所熟悉的月亮)，而外层土星已经被发现的卫星有62颗，木星被发现的卫星是66颗(截止到2012年2月)。因此，除了水星和金星之外，每一颗大行星都可以看成是类似于太阳系的小系统的中心，好像太阳系中心的太阳一样。这些小系统也是以中央主星命名的。于是，便出现了火星系——火星及其两颗卫星；木星系——木星及其66颗卫星，还有木星光环；土星系——土星及其62颗卫星，还有土星光环……

在太阳系中，第四类天体是彗星(comets)。它们绕着太阳运行的轨道是扁扁的椭圆。只有彗星接近太阳时我们才能看见它们，但对于它们中的大部分来说，往往要经过几百年甚至几千年才会出现一次。即使是彗星出现时，如果出现不利情况，我们依然无法看见它们。

除了上述的各个天体之外，许多微小的岩石块(我们叫做流星体)都沿着一定的轨道绕着太阳运行，它们与小行星和彗星有着一点联系。我们无法看见它们，除非是它们进入到地球周围的大气层中，那时我们将它们称为"流星"(shootingstars)。

不过，我们不会根据这个表格顺序讲述各大行星。在我们描述完太阳之后，将会跳过水星和金星，开始论述我们的地球和月亮，然后再返回去谈谈其他行星。

第二节太阳 太阳位于太阳系中央，同时是太阳系中较大的天体，当然会引发大家的好奇心。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得出的就是太阳的直径。

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，一个普通人的重量大约是2吨，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掉。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，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。不过，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，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"，将两极中间的较大圈叫做太阳的"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的。

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较大、寿命最长的，往往其他黑子都消失了，它依然还存在。一群黑子中形成的往往比较大，而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，黑子会分裂为一些不规则碎片。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，甚至是没有，1912年和1923年就是这样。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"(magneticstorm)——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，只要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-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有所下降，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