太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

在我国史书上有着丰富的黑子目视记录,仅正史上就有100多次。现在公认的世界上第一次明确的黑子记录是公元前28年我国汉朝人所观测到的。在《汉书·五行志》里是这样记载的:“成帝河平元年三月乙未,日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。

太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

意大利天文学家伽利略记录的移动的太阳黑子

在西方,太阳黑子长期被忽视。亚里士多德认为太阳是完美无缺的,因而太阳上不会有黑点的观点一致持续到17世纪。公元1610年,意大利天文学家伽利略首次用望远镜看到了太阳黑子,发现黑子是太阳表面非常普遍的现象。不过,这一观测结果与当时的宗教教义相抵触。从1818年开始才有比较常规的每日黑子观测,从而有比较可靠的黑子资料。1610年—1818年间的黑子记录资料是不连贯和不均匀的,存在各种系统误差,尤其是1750年以前的观测记录存在很大的不确定性。

太阳黑子的常规观测不仅让我们认识到太阳黑子自身的变化规律,同时也揭示了太阳上的其他现象和规律。如太阳磁场、太阳自转、白光耀斑都是在黑子观测中被发现的。

黑子成因

仔细观察黑子可以发现,一个发展成熟的黑子是由中心颜色暗黑的部分和其周围暗黑的部分组成。前者是黑子的本影,后者为黑子的半影。黑子是太阳光球上的低温区,本影区的绝对温度在4000℃左右,半影则为5400℃。所以,黑子其实并不黑,只是因为它的温度比光球低,才在明亮的光球背景衬托下显得黑。

太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

太阳表面磁场结构

导致黑子温度低的直接原因则是因为它自身具有强磁场,磁场强度约在1000高斯~4000高斯之间,比地球上的磁场强度高上一万倍。强磁场能够抑制太阳内部能量通过对流的方式向外传递。所以,当强磁场浮现到太阳表面时,该区域的背景温度缓慢地从5700℃降到4000℃左右,使该区域以暗点形式出现,即黑子产生。

黑子倾向于成群出现。一个发展成熟的典型黑子群由两部分组成,由于太阳自转,西边的部分总是在前面,称为前导部分;与其对应,东边的就称为后随部分。前导和后随黑子的磁场极性相反,一个表现得如北磁极(N),另一个则表现得如南磁极(S),这样的黑子群也因此称为双极黑子群。黑子群中也存在只有一种极性的单极群和极性分布复杂的多极群。一般来说,黑子群越大,磁场极性越复杂,磁场强度越大。

观测特征

黑子群的成长演化

太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

太阳黑子(近照)与地球

日面上经常形成许多黑子群。每个黑子群中的黑子有一、二个至几十个,每个黑子的直径大小约有几百至几万千米。黑子群的大小则以它在日面上的面积来表示,单位是太阳半球面积的百万分之一。一百个面积单位跟地球面积相当,普通黑子群的面积为几百个面积单位,大黑子群的面积则能达到几千个面积单位。

黑子群的演化过程通常由简单变复杂,再变简单。起初,它是个小黑点,逐渐发展成由两个极性相反的大黑子构成的双极黑子群。两个大黑子间又有很多小黑子,大黑子在逐渐增大的同时,距离越来越大,然后逐渐分裂,最后消失。黑子群寿命短的只有1天~2天,长的可达几个月,大部分黑子群的寿命可以持续1天~20天。

黑子数量的11年周期性

太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

太阳黑子(5张)

1843年,德国天文爱好者施瓦布通过自己1826年——1843年间的日常黑子观测,首次发现日面上黑子数量的多少存在11年左右的周期变化。

1848年,瑞士天文学家沃尔夫首次提出用黑子相对数(或叫做沃尔夫数)来表示里面可见半球黑子的多寡,其定义为R=K (10g+f),其中g和f分别表示日面上出现的黑子群和黑子数目,K值则会因天文台的观测望远镜(口径和焦距)、观测方法(如目视还是照相)、观测地的天气条件(大气透明度和视宁度)以及观测者的情况(技术、经验和稳定度)而不同。对于固定的仪器和成熟的观测值,K值接近于常数。经过沃尔夫的搜集和整理,基本上不间断的每日黑子相对数记录可向前推到1818年,黑子相对数的月均值可推至1749年,年均值可向前推到1610年。 [2]

从长期的黑子相对数记录可见,黑子相对数的平均值明显的表现出11年左右的周期性,最短为9.0年,最长为13.6年。从黑子数的多寡以及太阳10.7厘米射电流量的变化,就能很容易看出太阳活动的这种周期变化。黑子相对数的年均值的极大和极小年份,分别称为太阳活动的极大年(峰年)和极小年(谷年)。通常,也将黑子相对数年均值相对高的太阳活动极大年和其相邻的几年,称为太阳活动高年;黑子相对数年均值相对较少的太阳活动极小年和其相邻的几年,称为太阳活动低年。

两次相邻极小年之间为一个太阳活动周。人们规定以1755年极小年起算的活动周为第一周。

黑子的蝴蝶舞步

受施瓦布发现的影响,英国天文爱好者卡林顿通过1853年——1861年间的日常黑子观测,首次发现黑子在日面上的纬度位置随时间向赤道方向迁移;德国天文学家古斯塔夫·施波雷尔通过对卡林顿观测数据的进一步分析得到太阳黑子在日面位置上的迁移呈现蝴蝶图样的分布。

太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

黑子的蝴蝶舞步

在太阳活动周开始时,南北半球黑子群的平均纬度在30°附近,随着时间推移,黑子出现的纬度逐渐向太阳赤道转移,在极大年附近为15°左右,在活动周结束时,黑子群的平均纬度约为8°;同时,在每一活动周的末尾,新的黑子群又开始在高纬出现,形成前一周黑子在低纬和新一周黑子在高纬同时存在的情形,这样的情形大约维持一年左右。如果把日面纬度作为纵坐标,以时间作为横坐标,将黑子画在图上,我们就得到一串翩翩起舞的美丽的蝴蝶形图样。

黑子的亮墙结构

太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

黑子的亮墙结构

中国科学院国家天文台与云南天文台研究人员,共同综合利用云南抚仙湖一米新真空太阳望远镜(NVST)、美国太阳动力学天文台(SDO)及太阳界面层成像光谱仪(IRIS)的数据,首次发现了黑子亮桥上的垂直振荡亮结构,并将其命名为“亮墙(light wall)”。

2014年10月下旬,太阳的可见日面上出现了24年以来的最大黑子群,活动区编号为12192。NVST的TiO 705.8 nm图像显示,活动区12192的负极性主黑子具有完备的本影、半影结构,在黑子本影区存在着很强的亮桥结构。而IRIS 133 nm图像则显示,在亮桥结构的上方存在着垂直振荡的亮结构,像是扎根在亮桥上的一堵墙,所以形象的将其命名为亮墙。亮墙的整体都要比周围区域明亮,尤其是墙顶的亮度更高,在SDO的多个极紫外波段可见。亮墙的平均高度为3.6兆米。亮墙的顶部上下运动,形成连续的振荡,平均振幅和平均振荡速度分别为0.9 兆米和15.4千米/秒。通过对亮墙的高度变化进行小波分析,发现亮墙的主振荡周期为3.9分钟。科研人员提出,压力波引起的太阳径向脉动激发了亮墙的 振荡,而亮墙持续的亮度增强表明存在着持续的小尺度磁重联或者磁声波加热过程。

在此之前,根据人们的传统认识,成熟大黑子的基本结构大致由本影、半影、亮桥组成。最新的观测数据表明,亮墙是黑子内部的一种基本结构。亮墙结构的发现使得人们对黑子的结构有了更新的认识。 [3]

基本信息

太阳是地球上光和热的源泉,它的一举一动,都会对地球产生各种各样的影响。

观察发现,太阳公公的脸上有时会长出一颗一颗的“小黑痣”,这是为什么呢?又会对地球产生怎样的影响呢?

太阳黑子在什么层(太阳的三层结构)

太阳公公脸上的“小黑痣”,其实叫做太阳黑子。

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。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3000-4500℃。因为其温度比太阳的光球层表面温度要低1000到2000摄氏度,所以看上去像一些深暗色的斑点。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。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。不过科学家推测,极有可能是强烈的磁场改变了某片区域的物质结构,从而使太阳内部的光和热不能有效地到达表面,形成了这样的“低温区”。也就是太阳上一颗颗的“小黑痣”。

太阳黑子很少单独活动,通常是成群出现。黑子的活动周期为11年,活跃时会对地球的磁场产生影响,当太阳上有大群黑子出现的时候,会出现磁暴现象使指南针乱抖动,不能正确地指示方向;平时很善于识别方向的信鸽会迷路;无线电通讯也会受到严重阻碍,甚至会突然中断一段时间,这些反常现象将会对飞机、轮船和人造卫星的安全航行、还有电视传真等等方面造成严重威胁。

看来这些“小黑痣”,不仅影响太阳公公的美貌,还对人类生产生活也有一定影响呀!

这就是太阳黑子的成因和影响。 [4]

研究进展

2012年10月21日,日本名古屋大学的研究团队宣布,通过分析太阳观测数据,发现在太阳北半球黑子数增加最显著的时期,太阳北极会出现磁场南北极反转的磁极颠倒现象。同样情况也在太阳南半球的南极发生。太阳的这种磁极颠倒状况与历史上若干地球变冷时期的相关太阳变化类似,但这是否预示地球在不久的将来将变冷还有待继续观察研究。


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