在亿万颗恒星中，论其半径、质量、温度和光度等物理参量太阳只是一颗普通的恒星。但是，由于太阳距离地球最近，所以对于人类和地球上一切生命来说，它又是一颗极其重要的恒星。

　　1.日地距离

　　日地距离又称太阳距离。指的是日心到地心的直线长度。由于地球绕太阳运行的轨道是个椭圆，太阳位于一个焦点上，所以这个距离是变化的。其最大值为15 210万千米（地球处于远日点）；最小值为 14 710万千米（地球处于近日点）；平均值为14 960万千米；这就是一个天文单位。1976年国际天文学联合会把它确定为 149 597 870千米，并从1984年起用。按此距离计算，太阳光到达地球表面只需8分18秒。

　　2.太阳的大小和质量

　　在日地距离已知的条件下，只要通过仪器测得太阳视圆面直径的张角，即可计算太阳的体积。通过测定，太阳视直径张角平均为31′59″.3，视半径张角为15′59″.65。若以α表示太阳视半径，a表示日地距离，R表示太阳的平均半径

　　则：R=asina=6.96×10⁵km

　　这就是说，太阳的半径（约70万千米）是地球半径（6 371千米）的109倍。太阳的体积约为1.4×10¹⁸立方千米，是地球的130万倍。

　　在日地距离和太阳体积已知的条件下，通过万有引力定律，可以间接地推算出太阳的质量。日地之间的引力为：

　　式中M为太阳质量，m为地球质量，a为日地距离，G为万有引力常数，其值为6.67×10^－8达因·厘米2/克2。地球绕太阳公转的向心力为：

　　式中V为地球公转的线速度，平均值为2.978×10⁶厘米/秒。我们知道，地球绕太阳公转的向心力正是太阳对地球的引力。所以F=f。即：

　　这就是说太阳的质量约为2×10²⁷吨，相当于地球质量（6×10²¹吨）的33万倍。

　　通过太阳的体积和质量，可推算出太阳的密度，其平均值为1.41克/厘米³，只相当于地球密度（5.52克/厘米³）的1/4。

　　3.太阳的热能和能源

　　太阳质量巨大，成为一颗发光放热的典型恒星，不断地通过电磁波和粒子流等形式，向外辐射能量。太阳究竟放射出多少能量？怎样计算呢？首先要确定一个以热量单位来表示的太阳常数。太阳常数是这样规定的：在不考虑大气的影响下，处于日地平均距离的每平方厘米面积上，阳光直射时，每分钟接收的太阳辐射能。其值为8.25焦/厘米2·分。

　　有了太阳常数，太阳每分钟向外辐射的总能量，就可以通过一个以日地平均距离为半径的球面来计算，该球面上所获得的能量总和、就相当于太阳辐射的总能量。其值为8.25焦/厘米²·分×4π×（1.496×10¹⁸）²厘米²=2 336.2×10²⁵焦/分依据太阳常数，也可以求出地球表面每分钟所获得的太阳辐射能量。地球是个球形天体，被太阳照射的半球所获得能量，等于以地球半径为半径的圆面上，阳光直射时所获得的能量。其数值为：

　　8.25焦/厘米²·分×π×（6.371×10⁸）²厘米²=10.5×10¹⁸焦/分

　　这个数值（即1 050亿亿焦/分），仅等于太阳向宇宙空间辐射总能量的1/22亿。但是，这对地球来说，是绝对重要的。太阳每年给地球的热能，相当于100亿亿度电力，为目前全世界总发电量的几十亿倍，成为地球上生命活动的基本能源。

　　太阳辐射能量这样巨大，足以说明其表面温度是很高的。因为任何物体的表面温度越高，向外辐射的能量也越多。计算结果表明，太阳表面平均温度为5 770K，即约为5 500℃。而太阳内部温度还要高得多，据理论计算太阳核心温度可达1500万K。太阳如此高温，组成物质只能是高度电离的气态物质。

　　太阳一千几百万度的中心温度和几十亿年来以每分钟二万三千多亿亿亿焦耳的能量输出，说明太阳是一个极其强大的能量系统。这么巨大的能量究竟是怎样产生的呢？ 20世纪以前科学家曾经试用化学反应（燃烧）、陨星降落和重力收缩等来解释。但是，均无济于事。本世纪初，爱因斯坦相对论创立后，这个问题才算找到了答案。在爱因斯坦狭义相对论中指出：质量和能量是一个事物的两个方面，可以互相转化。

　　物质的质量与能量的关系公式为：

　　E＝mc²

　　式中E表示能量（单位为尔格），m表示质量（单位为克），c表示真空中光速（约为3×¹⁰10厘米/秒）。按此公式计算，1克物质可以产生约 8.373 6×10¹³焦耳的能量。这种物质转化成能量的过程，在一般条件下是不能进行的，只有在原子核反应中才能进行。因为原子核反应需要极高的温度，所以称热核反应。

　　太阳内部有高达一千几百万度的温度，仿佛是一个巨大的原子能工厂，不断地进行着由氢变氦的核聚变反应，从而释放出巨大的原子能。这是因为，太阳内部的氢原子在这样的温度下，会失去核外电子变成质子，质子在这样环境里以极大的运动速度，克服静电斥力而产生猛烈碰撞，在碰撞中四个质子结合成一个原子核即氦核。在此核聚变反应中，以消耗掉一点点物质质量为代价，却辐射出惊人的能量。

　　4H → 　　He4 ＋ 　2e＋ ＋　　 2γ ＋ 　　

　　（氢核）（氦核）（正电子）（中微子）（伽玛射线）

　　氢核的质量mH=1.007 9mo（mo代表原子质量单位，是碳原子质量的1/12），氦核质量mHe=4.002 6mo上式表明，在这种反应中质量有所消耗。若以△m来表示，即：

　　△m=4×1.007 9mo－4.002 6mo=0.029mo

　　具体到1克氢聚变成氦时，其质量消耗以X表示，即：

　　4×1.007 9∶1=0.029∶x

　　X=0.007 2克

　　这些消耗掉的质量转化的能量为：

　　E=0.007 2×（3×10¹⁰）²=6.5×10¹⁸尔格≈6 280.2亿焦耳也就是说，在核聚变反应中， 1克氢可产生约6 280.2亿焦耳的热能，相当于燃烧15吨石油或2700吨煤所释放出的热量。这点质量消耗对太阳来说是微不足道的。因为太阳的质量为2×10²⁷吨，按每分钟向外辐射2 336.2×10²⁵焦计算，仅消耗2亿多吨的质量，在过去的50亿年中，只消耗了它全部质量的0.03％。所以预计太阳的寿命为100亿年。

　　当然也应看到，对太阳本身来讲，正是这种内部巨大能量等因素产生的内部斥力和膨胀力，在抵抗着由巨大质量产生的自引力。太阳作为炽热的气体球存在于宇宙空间，也正是这两种主要力量相互抗衡的结果。

　　4.太阳的大气结构

　　太阳表面温度有5 000多度，内部更高达上千万度，所以组成太阳的物质，不可能是固态或液态的物质，而只能是炽热的气体。人们普遍认为这种炽热的气体，是处于高温高压下才出现的等离子体状态，并称之谓物质的第四态。

　　目前的科学技术水平只能观测到太阳表面一些情况，对其内部状况了解得较少。所以，讨论太阳的确切结构问题是困难的。当前较为一致的看法是：太阳在整体上是个炽热的气体火球；在结构上分为内部稠密气体和外部稀薄气体两大部分（见图1-10）。

　　太阳内部的稠密气体，由中心向外可划分为三个同心圈层：核反应区、辐射区、对流区。

核反应区是太阳的中心区，其半径占太阳半径的1/4，占太阳体积的1/64，质量的1/2以上。因为，氢氦核聚变反应要在700万度以上的高温下进行，所以太阳的中心温度应为1500万度。它是整个太阳（也是太阳系）的能量源地，不断地进行着剧烈核聚变反应，产生出巨大能量。

辐射区在核反应区外围，占据广大的范围。它的厚度达1/2个太阳半径。核反应区产生的能量，以辐射的形式通过本区向外输送。

对流区处于辐射区以外，是太阳内部稠密大气的最外层，其厚度占太阳半径的1/4。由辐射区输送来的能量，使该区温度达到几万至几十万度，稠密的气体呈升降起伏的对流状态。在太阳外层大气中产生的各种现象（如黑子、耀斑等），都与该区大气活动有关。

　　太阳外部的稀薄气体，就是通常所说的太阳大气。按其物理性质的差异，又可划分为三个同心圈层，从内到外依次为：光球、色球和日冕。

光球就是我们眼睛所见到的光芒夺目的太阳表面，它在太阳大气的最底层，是包围对流区的一层很薄的发光层，厚度仅500千米。前面所说的太阳表面温度以及太阳的直径大小，都是指这个光球而言，因为它有个明晰的界限为依据。

　　平时我们所观测到的太阳光和太阳辐射，基本上都是从光球放射出来的。因此，太阳的光谱，实际上就是光球的光谱，太阳的辐射就是光球的辐射。光球的温度，底部高顶部低，大约在6 600～4 300K之间，平均为5 770K。

　　由薄层气体构成的光球，实际上是对流区的顶部，因直接受到其下部对流区传输来的能量影响，它的表面就好像一锅沸腾的米粥，既不均匀又不平静。气流下沉的地方形成旋涡，局部温度下降，光辉变弱，称为太阳黑子；气流上升，温度升高，亮度增大的地方，称为太阳光斑和米粒组织。

光斑是经常出现在日面边缘的明亮斑点。米粒组织则是较普遍的日面结构，在高分辨率太阳白光照片上，呈现为密密麻麻的米粒状的明亮颗粒。同一时刻，米粒组织可占整个太阳圆面的40％，米粒总数约400万颗。米粒直径约1000千米左右，温度比周围高300～400K，寿命七八分钟。大的“超米粒”直径可达2～5万千米，寿命长达20小时。

　　太阳黑子的温度约4 500K，比光球温度低1000K，所以显得发暗。小黑子直径为二三千千米，大黑子直径有时超过地球直径的几十倍。黑子有很强的磁场。黑子多成群地出现，一群黑子里有两个主要黑子，在这对黑子中，沿着太阳自转方向，位于前面的一个叫前导黑子，后面的一个叫后随黑子。前导黑子寿命长，面积大。一个发展完整的黑子群，从单个小黑子出现，到两个主要黑子发育成熟，并在它们的周围再出现许多小黑子，成为黑子群，随后又逐渐衰落和消失，一般要经历几十天。

　　对黑子连续观测，可发现它们在日面上都朝同一方向自西向东作不等速移动，这是太阳自西向东自转的反映。这样，依据黑子移动情况不但可以确定太阳自转速度和周期，还可以进一步证明太阳是由流动的气体构成的。观测证实，太阳自转速度随纬度的增高而减慢，在太阳赤道上自转一周为25天，30°处为27天，75°处为33天。

　　对太阳黑子进行长期观测和研究，还发现黑子活动是有规律的。从光球上出现的黑子数来看，有的年份多，有的年份少。一般从极小值到极大值，然后又到极小值，要经历11年左右的时间。这就是太阳黑子活动的周期。黑子在日面上出现的范围也有一定规律性。一般是一个周期开始时，第一批黑子总是出现在日表面20°～35°之间的纬度上。当黑子增大时，它们产生的区域就向低纬度方向移动，到了一个周期的尾声，则产生在日表面赤道附近地区。在5°～35°纬度范围以外，几乎见不到黑子。

　　黑子的活动与太阳活动息息相关。黑子极多的时候，也是太阳活动特别强烈的时候。因此，太阳黑子的活动，是太阳活动的重要标志。

色球处于光球以外，厚达2 000～2 500千米，为太阳外部稀薄气体的中间层。色球的亮度很低，仅是光球的0.1％，所以平时我们是看不见它的。只有在日全食时，光球为月球遮住，我们才可在太阳圆轮边缘看到它那美丽的玫瑰红辉光，所以称色球。色球的顶部界限不像光球那样清晰整齐，由许多小“火舌”所组成，这些火舌是上升气流，称为针状体。针状体从色球中喷射出去，可高达1万千米，太阳表面大约同时可出现25万个这样的针状体，每个针状体的寿命一般为5～10分钟。色球的温度从底层到顶部，由几千度升高到几万度。

　　色球中最突出的现象是耀斑活动。耀斑是太阳色球的爆发现象，表现为极明亮的斑点。它来势猛烈，能量很大，在10～20分钟内可释放1023～1026焦的巨大能量。耀斑的出现与黑子活动有关，一般都出现在黑子的上空及其附近。随着耀斑的出现，色球有时还会出现另一种壮观景象，这就是色球喷射出的特别巨大的火舌，称为日珥。日珥形态多变，可以升高到几万甚至百万千米，有时部分气流可脱离太阳引力，不再回落日面而散失在宇宙空间。

日冕处在色球以外，是更为稀薄的太阳大气。它是太阳大气的最外层，其亮度更低，仅是色球的0.1％，光球的百万分之一。在日全食期间、可以观看到色球层以外它的青白色微光。它的范围可以从色球顶部伸展到几十个太阳直径远的地方。其密度极小，约10-15克/厘米3，实际上它是太阳球体逐渐向宇宙空间过渡的区域，很难确定它的范围和界限，其形状也随太阳活动而变化。

　　日冕的温度，在色球增温的基础上进一步升高，从几万到几十万度，最高可达100～200万度。使组成日冕的物质呈现高度电离状态，成为完全电离的等离子体，主要是质子、高度电离的离子和高速的自由电子。

　　太阳大气温度为什么会随高度的增加而急剧升高呢？目前尚无统一认识。有人认为与对流区的大气波动有关系。对流区的大气波动传递到太阳的高层大气，转化为热能，即波动加热所造成的。

　　当然，日冕中也存在一些温度较低，密度更小的区域，称为日冕洞。这是太阳磁场开放的区域，它的磁力线向行星空间张开着，处于高度电离状态的上述各种粒子，顺着磁力线方向，以300～1000千米/秒的速度，吹向行星际空间，这就是太阳风。整个太阳系都处于太阳风的劲吹之中，对地球磁场的影响很大。

　　5.太阳活动和日地关系

太阳活动是指太阳大气的运动和变化。太阳除了经常而稳定地向宇宙空间辐射巨大的能量之外，有时在太阳表面的一些局部区域，还发生一些突然性变化，如发生在光球的光斑和黑子、发生在色球的耀斑和日珥以及日冕随太阳活动而发生大小和形状上的变化等等。这表明太阳活动有时很剧烈，有时相对平静。这种现象平均以11年为一个周期（更长的周期为22年和80年），并与太阳黑子活动周期相一致。太阳活动处于高潮期的太阳，称扰动太阳；太阳活动片地低潮期的太阳，称宁静太阳。平时说的太阳活动，主要是指扰动太阳的活动，其主要标志是黑子，特别是黑子群的频繁出现。但是，近年来也有人提出应以耀斑为太阳活动的主要标志。认为耀斑的突发性和释放出的巨大能量，在太阳活动中占有更重要的地位。

　　实际上以上两种意见并无根本矛盾。因为太阳黑子、耀斑、日环等现象，都随着太阳活动的总趋势而共同涨落，它们在发生、发展的时间上具有一致性。这些现象在发生、发展的位置和范围上也是基本一致的，它们都比较集中地出现在一定的范围之内，称为太阳活动区。此外，太阳风的变化与太阳活动也是一致的。

　　目前，对太阳活动的各种现象，尽管了解得尚不十分清楚，但它们在发生、发展过程中所表现出的时空上的一致性，可以告诉人们，它们的产生具有共同的原因。据推断，太阳活动的基本原因，很可能是在太阳大气下面的对流区。进一步加强对太阳活动规律的观测、分析与研究，对于我们生活在地球上的人类来说无疑是很有意义的。因为太阳活动的强弱，直接影响着太阳电磁辐射和高能粒子流的强弱，这对地球上许多自然地理现象，都有显著影响。

　　太阳不论在宁静时期还是在扰动阶段，其巨大的质量引力和强大的能量流和物质流，对于地球在宇宙中的运动以及地球上的地理环境的形成、发展和演变均具有决定性意义。

　　首先，太阳是地球地理环境最主要的能量源泉。在地球表面，由大气、水、岩石、土壤和生物等共同作用而形成的地理环境，是一个复杂而巨大的物质运动体系。在这个体系内，发生着形式不同、规模不等的各种自然现象和运动过程。如大气的风云雨雪变幻；流水的侵蚀、搬运、堆积；海浪和洋流的运动；岩石的风化和土壤的形成以及绿色植物的有机质制造和动物界的生息繁衍等等。所有这些物质变幻和运动的动力，即能量来源，除了地球内部放射性元素释放的原子能、地热能和火山爆发散发的能量外，最主要的还是太阳能。尽管地球上所获得的太阳辐射，仅占太阳总辐射的1/22亿，但对地球而言，这却是个最基本、最稳定和最可靠的光热源泉，到达地表的地球内部能量与之相比，是微不足道的。人类的生产和生活所消耗的能量，也都直接或间接地来自太阳。

　　其次，太阳风以及其它的太阳活动吹向地球的带电粒子流，使地球磁场和地球高层大气结构发生很大改变，从而对地理环境和人类活动产生重要影响。例如：太阳风等离子体吹拂着地球，使地球磁场被压缩在一定范围之内，形成一个被太阳风包围的地球磁层。由于地磁层的存在，使得太阳风带来的高能带电粒子不能到达地表，从而对地表的有机体和一些精密的无线电仪器起了保护作用。因为这些高能带电粒子能穿透物体，并使物体内引起电离、化学反应与核反应，造成人员和仪器的损伤。当然，地磁层的这种屏障作用也不是绝对的。有一部分高能带电的粒子闯入磁层后，被磁层禁锢在地球高空，会形成一个强辐射带，称为范·艾伦辐射带。这个辐射带好像套在地球赤道周围高空的两个环子，它对人类的宇航活动会造成严重危害。

　　在距地表80～500千米的高空大气中，由于受到太阳短波（紫外线和X射线）辐射作用，气体发生电离，形成电离层。这种电离层能够反射无线电波，能使人们在地球表面很远的地方收到各种无线电信息。但是，当发生太阳耀斑时，太阳短波辐射突然猛烈增强，导致电离层自由电子密度加大，这时电离层不仅反射，而且吸收无线电波，出现电离层骚动现象，使无线电通讯中断。同时，由于耀斑等太阳活动产生的带电粒子侵入，使地球磁场发生短时间扰动，称为磁扰。强烈的磁扰叫做磁爆，发生磁爆时，磁针突然颠动，有时失灵，会影响飞机和船舶航行。

　　地球高纬度地区经常发生的美丽壮观的极光现象，也同样是太阳粒子辐射造成的。极光现象一般发生在极地100～200千米高空，有的高达1000千米。极光现象的产生，目前有两种解释：一种是，太阳的粒子流受地磁极磁力线的吸引而聚集，并且与地球高空大气的气体分子或原子相互撞击，从而发出各种光彩；另一种解释是，太阳辐射到地球大气层周围的带电粒子流，形成电场，由于发生放电现象，而出现极光。

　　另外，在距地表几十千米的大气层中，因受到太阳紫外线作用，会使氧分子分解成氧原子，距地表愈高，紫外线愈强，其分解能力也愈强。这样在距地表20～30千米的大气层中，既有足够数量的被分解出的氧原子，又有一定数量的氧分子。氧原子与氧分子又结合成足够数量的臭氧，形成臭氧层。由于臭氧层对紫外线的吸收作用，使它成为地球上有机体免遭太阳紫外线杀伤的保护层，故有生命层之称。

　　第三，太阳辐射是地球上一个重要的气候因素，是决定地球上气候特征的重要指标之一。因此，太阳活动引起的太阳辐射的改变，也必然会导致气候的相应变化。这一点从树木的年轮研究中可以得到证实。研究中发现，年轮的疏密变化，也大致有11年的周期，与太阳活动周期相符合。我们知道，树木的年轮与当时的气温和降水等气候条件紧密相关。所以树木的年轮不但记录了气候的变化，同时也反映了太阳活动状况。

　　当然，地球上气候变化主要是大气层中对流层的现象，太阳辐射虽是气候变化的一个重要因素，它们之间的关系，不像电离层、极光、磁爆等那样直接，那样单纯。