太阳黑子的多少和大小是什么的标志

太阳黑子的多少和大小是什么的标志
太阳黑子的多少和大小是什么的标志

太阳黑子的多少和大小是什么的标志
太阳黑子
日斑[sunspot] 即太阳黑子.
在太阳的光球层上,有一些旋涡状的气流,像是一个浅盘,中间下凹,看起来是黑色的,这些旋涡状气流就是太阳黑子.黑子本身并不黑,之所以看得黑是因为比起光球来,它的温度要低一、二千度,在更加明亮的光球衬托下,它就成为看起来像是没有什么亮光的、暗黑的黑子了.
黑子是由本影和半影构成的,本影就是特别黑的部分,半影不太黑,是由许多纤维状纹理组成的,具有旋涡状结构.当大黑子群具有旋涡结构时,就预示着太阳上将有剧烈的变化.人类发现太阳黑子活动已经有几千年了.黑子活动的周期平均是11年.在开始的4年左右时间里,黑子不断产生,越来越多,活动加剧,在黑子数达到极大的那一年,称为太阳活动峰年.在随后的7年左右时间里,黑子活动逐渐减弱,黑子也越来越少,黑子数极小的那一年,称为太阳活动谷年.国际上规定,从1755年起算的黑子周期为第一周,然后顺序排列.1999年开始为第23周.
太阳耀斑
1859年9月1日,两位英国的天文学家分别用高倍望远镜观察太阳.他们同时在一大群形态复杂的黑子群附近,看到了一大片明亮的闪光发射出耀眼的光芒.这片光掠过黑子群,亮度缓慢减弱,直至消失.这就是太阳上最为强烈的活动现象——耀斑.由于这次耀斑特别强大,在白光中也可以见到,所以又叫“白光耀斑”.白光耀斑是极罕见的,它仅仅在太阳活动高峰时才有可能出现.耀斑一般只存在几分钟,个别耀斑能长达几小时.在耀斑出现时要释放大量的能量.一个特大的耀斑释放的总能量高达1026焦耳,相当于100亿颗百万吨级氢弹爆炸的总能量.耀斑是先在日冕低层开始爆发的,后来下降传到色球.用色球望远镜观测到的是后来的耀斑,或称为次级耀斑.
耀斑按面积分为4级,由1级至4级逐渐增强,小于1级的称亚耀斑.耀斑的显著特征是辐射的品种繁多,不仅有可见光,还有射电波、紫外线、红外线、x射线和伽玛射线.耀斑向外辐射出的大量紫外线、x射线等,到达地球之后,就会严重干扰电离层对电波的吸收和反射作用,使得部分或全部短波无线电波被吸收掉,短波衰弱甚至完全中断.
通过一般光学望远镜观测太阳,观测到的是光球层（太阳大气层的最里层）的活动.在光球上经常可以看到许多黑色斑点,叫太阳黑子.太阳黑子在日面上的大小、多少、位置和形态等,每日都不一样.太阳黑子是光球层物质剧烈运动形成的局部强磁场区域,是光球层活动的重要标志.长期观测太阳黑子就会发现,有的年份黑子多,有的年份黑子少,有时甚至几天,几十天日面上都没有黑子.天文学家们早已注意到,太阳黑子从最多（或最少）的年份到下一次最多（或最少）的年份,大约相隔11年.也就是说,太阳黑子有平均11的活动周期,这也是整个太阳的活动周期.天文学家把太阳黑了最多的年份称为“太阳活动峰年”,把太阳黑子最少的年份称为“太阳活动宁静年”.
太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动,是太阳活动中最基本,最明显的活动现象.一般认为,太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡,温度大约为4500摄氏度.因为比太阳的光球层表面温度要低,所以看上去像一些深暗色的斑点.太阳黑子很少单独活动.常常成群出现.活动周期为11.2年.届时会对地球的磁场和各类电子产品和电器产生损害. 太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动,是太阳活动中最基本,最明显的活动现象.一般认为,太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡,温度大约为4500摄氏度.因为比太阳的光球层表面温度要低,所以看上去像一些深暗色的斑点.太阳黑子很少单独活动.常常成群出现.活动周期为11.2年.届时会对地球的磁场和各类电子产品和电器产生损害.
黑子的特性
一个发展完全的黑子由较暗的核和周围较亮的部分构成,中间凹陷大约500千米.黑子经常成对或成群出现,其中由两个主要的黑子组成的居多.位于西面的叫做“前导黑子”,位于东面的叫做“后随黑子”.一个小黑子大约有1000千米,而一个大黑子则可达20万千米.
太阳黑子的形成与太阳磁场有密切的关系.但是他到底是如何形成的,天文学家对这个问题还没有找到确切的答案. 黑子越多可能说明太阳越老（近年发现红矮星上黑子占据表面的一半,详见中国＜天文爱好者＞2005年第三期）,可能也是所有恒星寿命的一般特征,黑子可能是太阳的核废料（如人类核反应堆的核废料）,约11年出现一次可能是黑子在太阳里面和表面的上下翻动一次造成的（如元宵在锅里被煮得上下翻动）,黑子温度较低应该也是废料的一个证明（如煤炉中的炭灰在一般情况下不能再产生高温）,黑子附近的周边应该比太阳正常的地方温度高一些（此消彼长的原因）,黑子向低纬度运动是因为太阳密度小和自转的原因,就像地球上的大陆版块向低纬度运动一样,有黑子的地方存在凹陷500千米可能是温度低而不再膨胀的原因,另外,不是磁场影响了黑子而是黑子影响了磁场,这一点特别重要.
观测历史
世界上最早的太阳黑子的记录是中国公元前140年前后成书的《淮南子》中记载的.《汉书·五行志》中对前28年出现的黑子记载则更为详尽.
1840年代德国的一位业余天文学家发现了太阳黑子10-11年的周期变化规律.通过长期的观测,人们还发现太阳黑子在日面上的活动随时间变化的纬度分布也有规律性.一开始,几乎所有的黑子都分布在±30°的纬度内,太阳活动剧烈时,它往往出现在±15°处 ,并逐步向低纬度区移动 ,在±8°处消失.在上一个周期的黑子还没有完全消失时,下一个周期的黑子又出现在±30°纬度附近.如果以黑子的纬度为纵坐标,以时间为横坐标,绘出的黑子分布图很像蝴蝶,因而称作蝴蝶图.许多专家对蝴蝶图的含义进行了研究,但是直到现在还没有确定的结论.
太阳黑子的周期性
天文学家对黑子ê活动从1755年开始标号统计,规定太阳黑子的平均活动周期为11.2年.黑子最少的年份为一个周期的开始年,称作“太阳活动极小年”,黑子最多的年份则称做“活动极大年”.
太阳黑子的影响
磁爆
全球性的强烈地磁场扰动即磁暴.所谓强烈是相对各种地磁扰动而言.其实地面地磁场变化量较其平静值是很微小的.在中低纬度地区,地面地磁场变化量很少有超过几百纳特的（地面地磁场的宁静值在全球绝大多数地区都超过 3万纳特）.一般的磁暴都需要在地磁台用专门仪器做系统观测才能发现.
磁暴是常见现象.不发生磁暴的月份是很少的,当太阳活动增强时,可能一个月发生数次.有时一次磁暴发生27天（一个太阳自转周期）后,又有磁暴发生.这类磁暴称为重现性磁暴.重现次数一般为一、二次.
研究简史 19世纪 30年代 C.F.高斯和韦伯建立地磁台站之初,就发现了地磁场经常有微小的起伏变化.1847年,地磁台开始有连续的照相记录.1859年9月1日,英国人卡林顿在观察太阳黑子时,用肉眼首先发现了太阳耀斑.第二天,地磁台记录到 700纳特的强磁暴.这个偶然的发现和巧合,使人们认识到磁暴与太阳耀斑有关.还发现磁暴时极光十分活跃.19世纪后半期磁暴研究主要是积累观测资料.
20世纪初,挪威的K.伯克兰从第一次国际极年(1882～1883)的极区观测资料,分析出引起极光带磁场扰动的电流主要是在地球上空,而不在地球内部.为解释这个外空电流的起源,以及它和极光、太阳耀斑的关系,伯克兰和F.C.M.史笃默相继提出了太阳微粒流假说.到30年代,磁暴研究成果集中体现在查普曼-费拉罗磁暴理论中,他们提出地磁场被太阳粒子流压缩的假说,被后来观测所证实.
50年代之后,实地空间探测不但验证了磁暴起源于太阳粒子流的假说,并且发现了磁层,认识了磁暴期间磁层各部分的变化.对磁层环电流粒子的存在及其行为的探测,把磁暴概念扩展成了磁层暴.
磁暴和磁层暴是同一现象的不同名称,强调了不同侧面.尽管磁暴的活动中心是在磁层中,但通常按传统概念对磁暴形态的描述仍以地面地磁场的变化为代表.这是因为,人们了解得最透彻的仍是地面地磁场的表现.
形态 在磁暴期间,地磁场的磁偏角和垂直分量都有明显起伏,但最具特征的是水平分量H.磁暴进程多以水平分量的变化为代表.大多数磁暴开始时,在全球大多数地磁台的磁照图上呈现出水平分量的一个陡然上升.在中低纬度台站,其上升幅度约10～20纳特.这称为磁暴急始,记为SSC或SC.急始是识别磁暴发生的明显标志.有急始的磁暴称为急始型磁暴.高纬台站急始发生的时刻较低纬台站超前,时间差不超过1分钟.
磁暴开始急,发展快,恢复慢,一般都持续两三天才逐渐恢复平静.磁暴发生之后,磁照图呈现明显的起伏,这也是识别磁暴的标志.同一磁暴在不同经纬度的磁照图上表现得很不一样.为了看出磁暴进程,通常都需要用分布在全球不同经度的若干个中、低纬度台站的磁照图进行平均.经过平均之后的磁暴的进程称为磁暴时（以急始起算的时刻）变化,记为Dst.
磁暴时变化大体可分为 3个阶段.紧接磁暴急始之后,数小时之内,水平分量较其平静值大,但增大的幅度不大,一般为数十纳特,磁照图相对稳定.这段期间称为磁暴初相.然后,水平分量很快下降到极小值,下降时间约半天,其间,磁照图起伏剧烈,这是磁暴表现最活跃的时期,称为磁暴主相.通常所谓磁暴幅度或磁暴强度,即指这个极小值与平静值之差的绝对值,也称Dst幅度.水平分量下降到极小值之后开始回升,两三天后恢复平静,这段期间称为磁暴恢复相.磁暴的总的效果是使地面地磁场减小.这一效应一直持续到恢复相之后的两三天,称为磁暴后效.通常,一次磁暴的幅度随纬度增加而减小,表明主相的源距赤道较近.
同一磁暴,各台站的磁照图的水平分量H与平均形态Dst的差值,随台站所在地方时不同而表现出系统的分布规律.这种变化成分称为地方时变化,记为DS.DS反映出磁暴现象的全球非轴对称的空间特性,而不是磁暴的过程描述.它表明磁暴的源在全球范围是非轴对称分布的.
磁照图反映所有各类扰动的叠加,又是判断和研究磁暴的依据,因此实际工作中往往把所有这些局部扰动都作为一种成分,包括到磁暴中.但在建立磁暴概念时,应注意概念的独立性和排他性.磁暴应该指把局部干扰排除之后的全球性扰动.
成因 太阳耀斑的喷出物常在其前缘形成激波,以1000公里／秒的速度,约经一天,传到地球.太阳风高速流也在其前缘形成激波,激波中太阳风压力骤增.当激波扫过地球时,磁层就被突然压缩,造成磁层顶地球一侧的磁场增强.这种变化通过磁流体波传到地面,表现为地面磁场增强,就是磁暴急始.急始之后,磁层被压缩,压缩剧烈时,磁层顶可以进入同步轨道之内.与此同时磁层内的对流电场增强,使等离子体层收缩,收缩剧烈时,等离子体层顶可以近至距地面2～3个地球半径.如果激波之后的太阳风参数比较均匀,则急始之后的磁层保持一段相对稳定的被压缩状态,这对应磁暴初相.
磁暴期间,磁层中最具特征的现象是磁层环电流粒子增多.磁层内,磁赤道面上下4个地球半径之内,距离地心2～10个地球半径的区域内,分布有能量为几十至几十万电子伏的质子.这些质子称为环电流粒子,在地磁场中西向漂移运动形成西向环电流,或称磁层环电流,强度约106安.磁层环电流在磁层平静时也是存在的.而磁暴主相时,从磁尾等离子体片有大量低能质子注入环电流区,使环电流幅度大增.增强了的环电流在地面的磁效应就是H分量的下降.每注入一次质子,就造成H下降一次,称为一次亚暴,磁暴主相是一连串亚暴连续发生的结果.磁暴主相的幅度与环电流粒子的总能量成正比.磁暴幅度为100纳特时,环电流粒子能量可达4×1015焦耳.这大约就是一次典型的磁暴中,磁层从太阳风所获得并耗散的总能量.而半径为 3个地球半径的球面之外的地球基本磁场的总能量也只有3×1016焦耳.可见,磁暴期间磁层扰动之剧烈.
磁层亚暴时注入的粒子向西漂移,并绕地球运动,在主相期间来不及漂移成闭合的电流环,因此这时的环电流总是非轴对称的,在黄昏一侧强些.
除主相环电流外,在主相期间发生的亚暴还对应有伯克兰电流体系.伯克兰电流体系显然是非轴对称的.它在中低纬度也会产生磁效应,只不过由于距离较远,效应较之极光带弱得多.它和主相环电流的非轴对称部分的地磁效应合在一起就是DS场.
由于磁层波对粒子的散射作用,以及粒子的电荷交换反应,环电流粒子会不断消失.当亚暴活动停息后,不再有粒子供给环电流,环电流强度开始减弱,进入磁暴恢复相.
所有这些空间电流,在地面产生磁场的同时,还会在导电的地壳和地幔中产生感应电流,但是感应电流引起的地磁场变化,其大小只有空间电流引起的地磁场变化的一半.
研究意义 磁暴观测早已成为各地磁台站的一项常规业务.在所有空间物理观测项目中,地面磁场观测最简单可行,也易于连续和持久进行,观测点可以同时覆盖全球陆地表面.因此磁暴的地面观测是了解磁层的最基本、最有效的手段.在研究日地空间的其他现象时,往往都要参考代表磁暴活动情况的磁情指数,用以进行数据分类和相关性研究.
磁暴引起电离层暴,从而干扰短波无线电通讯；磁暴有可能干扰电工、磁工设备的运行；磁暴还有可能干扰各种磁测量工作.因此某些工业和实用部门也希望得到磁暴的预报和观测资料.
磁暴研究除了上述服务性目的之外,还有它本身的学科意义.磁暴和其他空间现象的关系,特别是磁暴与太阳风状态的关系,磁暴与磁层亚暴的关系,以及磁暴的诱发条件,供应磁暴的能量如何从太阳风进入磁层等等问题,至今仍是磁层物理最活跃的课题.磁暴作为一种环境因素,与生态的关系问题也开始引起人们的注意和兴趣.