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天文冷知识:5分钟带你了解下太阳黑子是如何生成的

日期:2020-01-04 来源: 评论:

[摘要]图解:太阳黑子是太阳表面常出现的特殊的暗影区域。墨西哥古印第安人认为他们的太阳神有一张长有斑的脸。古代中国人认为这些斑点是太阳内的星星。文艺复兴时期的天文学家认为它们是未被发现的行星。今天,仍有人认为太阳黑子的出现与UFO和超自然现象有关。...……

图解:太阳黑子是太阳表面常出现的特殊的暗影区域。

墨西哥古印第安人认为他们的太阳神有一张长有斑的脸。古代中国人认为这些斑点是太阳内的星星。文艺复兴时期的天文学家认为它们是未被发现的行星。今天,仍有人认为太阳黑子的出现与UFO和超自然现象有关。也有人用它们来解释人类造成的气候变化。而其余的人则好奇是否它们造成了无线通信的中断和电台广播中的静电干扰。

我们在讨论的太阳黑子,是那些些在太阳表面经常出现的奇怪的黑影。它们经常成对,或以被称为‘’的群组,在太阳赤道南北两侧40-50纬度中出现。太阳黑子之间的大小会有很大的不同,从直径不足30公里一直到地球大小的数倍。一些小的太阳黑子可能会持续不到一小时,但一些大的黑子会持续最长6个月的时间—例如2004年观测到的一个20倍地球大小的黑子—大到肉眼可见。但是记住,不使用滤镜直接观察太阳是一个非常坏的主意并可能损伤你的眼睛。(后面我们会介绍安全观测太阳黑子的方法。)

太阳黑子出现及变换位置的规律被称为太阳黑子周期。千万不要认为太阳黑子是一般的微观天文现象,很多在地球上由UFO和气象变化现象爱好者报告的相关现象,实际上都是由太阳黑子及相关的太阳活动引起。

下一部分,我们将探讨太阳黑子形成的物理过程。

太阳黑子的形成

图解:这些太阳黑子可能看起来并不大,但实际上大多数都比地球要大

太阳黑子呈现暗色是因为它们的温度比太阳可见表面或光球周围的区域要低。光球层的温度约为10000华氏度,(5537.8)摄氏度。太阳黑子内部较暗的部分为本影,那里的温度约比太阳表面的其他位置低1600度。本影周围被稍亮一些且面积更大的半影包围,半影内的温度约比太阳表面低500度。太阳黑子表现为低温,由于它们是强磁场区域—磁场强到会阻止温度流失。

太阳黑子的出现是由于太阳并不像地球及其他太阳系内更靠内的行星一样由岩石组成,太阳是一个由气体组成的,由于热量而在内部不断对流的完整球体。太阳的外层和内层以不同的速度自转;在太阳外层,赤道部分自转的速度高于南北极。(赤道部分需要25个地球日自转一周,而南北极需要36个地球日自转一周。)随着时间的累积,这样表面不均衡且混乱的旋转速度将造成太阳磁场的变化和扭曲,正如你在床上辗转反侧后造成床单的褶皱和堆积。在床单堆积的部分—即磁感线变得密集的区域,那里的磁场强度强大到将热量抑制在其下面并阻止热量上升到太阳表面,由此形成了太阳表面的低温区域,即太阳黑子。由于太阳黑子内的温度较周围低,造成它们看起来较暗。同时,被太阳黑子阻挡的热量会流入它们周围的区域,造成这些区域的温度进一步升高而比通常显得更热更亮,造成太阳黑子周围更高的对比度而使它们看起来更加明显。

从地球上看,太阳黑子会随着太阳表面的活动而移动(我们之前讨论过,太阳表面并不是整体同步地移动)。太阳自转的时间大大长于地球自转,但由于太阳的体积约比地球大100倍,太阳黑子移动的速度看起来会是地球自转速度的4倍。

太阳黑子的平均大小约和地球一样大,但也会出现非常,非常大的太阳黑子。科学家通常以太阳黑子占太阳可视面(即太阳表面积的一半)的比例来衡量它们的大小。上世纪记录到的最大的太阳黑子出现于1947年。覆盖了61.32亿分之一的太阳可视面积—大约是地球表面积的18倍。[来源:欧洲航天局]

下一部分中,我们将分析太阳黑子的周期和它们发生的原因

太阳黑子周期

在伦敦格林威治的英国皇家天文台保存有自1874年以来太阳黑子出现的大小和位置的详细记录。数据显示,太阳黑子并不随机地出现在太阳表面,它们的分布集中于太阳赤道两侧的两个纬度带中。同时,太阳黑子在纬度带中出现的频率、位置和强度也会随着时间改变。大约每11年,太阳黑子出现的数量会从接近0增加到100以上,然后再次下降到接近0并开始一个新的周期。太阳黑子这样的活动规律被成为太阳黑子周期。自1700年以来,太阳黑子周期的长度在9到14年之间变化。在一个周期初始,太阳黑子形成于太阳的中纬度地区,但随着周期的推进,太阳黑子会在更接近于赤道的位置出现。

根据天文学家莫苏米·迪克帕蒂和他的同事最近建立的模型,太阳黑子周期的发生是由于太阳内部存在某种对高温、电离的气体,即等离子体的搬运机制造成的。这种搬运机制将等离子体在太阳赤道和两极之间以若干年为周期往复搬运。当太阳黑子周期早期的黑子强度减弱时,它们会在下方移动的等离子流中留下它们的磁性特征,这些磁性特征会被等离子流携带到太阳两极,而后进入太阳内部。太阳内部的磁场会受到这些磁性特征的干扰,同时这些磁性特征在被等离子流再次带到太阳赤道表面之前会被加强。之后,这些等离子流会制造出新的,强度更大的太阳黑子。

太阳黑子周期在时间上并不对称,在周期开始,太阳黑子的活动会快速增强,之后较平稳地减弱。太阳黑子周期中黑子活动最强的时期被称为太阳活动极大期(或极大期)。同时,太阳活动最微弱,几乎观察不到太阳黑子的时期被称为太阳活动极小期。极小期通常会持续数年,但有时也会持续更长的时期。例如在1650到1710的60年期间都几乎没有太阳黑子的活动,这一时期被以观察到它的天文学家的名字命名为蒙德极小期

(虽然天文学家对其他一些恒星会偶然进入这样长的休眠期已经建立了理论模型,但太阳的蒙德极小期的出现原因仍是个迷。)蒙德对太阳活动强度与时间的关系绘制了图表,在图表上,太阳活动的强度的曲线看起来像蝴蝶的轮廓,太阳黑子的周期曲线看起来像蝴蝶的翅膀。科学家仍在致力于预测太阳黑子活动的方法,使我们能够更好地应对它们可能对地球上的电网和通信系统造成的影响。

下一部分,我们将会讨论太阳黑子对地球的影响。

太阳黑子对地球的影响

太阳黑子的活动关联着其它的太阳现象如耀斑日冕物质抛射(CME)。太阳耀斑是太阳突然释放出的能量,而CME则会向空间中抛射炽热的等离子。发生CME的具体原因尚不清楚,但太阳黑子的群组越大,这类太阳气象的强度通常也会越大。耀斑和CME会射出大量的能量以及带电粒子并高速地冲击地球大气,这将造成磁暴并干扰无线电和无线电话通信,同时也可能瘫痪及破坏电力电网。例如1989年的太阳活动极大期间,太阳释放的能量造成的电路浪涌破坏了魁北克水电系统的部分变压器,造成加拿大和美国东北超过6百万人断电9小时以上。有时,太阳活动也会帮助增强无线电传输,因为它的辐射使得大气层能更好地向地面反射更高频率的无线电。

由太阳活动带来的辐射理论上对太空行走的航天员和在高空飞行的机组和乘客的健康是有威害的,但目前为止还没有证据证明任何人由于暴露在这类辐射中致病。

太阳气象对地球气候的影响是否有联系尚不明确,有太多的因素在同时影响着地球的气候—从火山爆发到人类排放的温室气体。在17到18世纪之间的蒙德极小期,太阳黑子几乎没有活动过,欧洲和北美也遭遇了低温和极端寒冬。然而,虽然科学家们认为这期间太阳紫外线辐射的减弱可能造成了地球气候的变化,他们还无法完全确定这两个现象是否有关联。

UFO和超自然现象追随者也报告过太阳黑子活动与未知现象的联系,但这些报告可能更加受到他们对超自然现象信仰的影响。

接下来,我们将探究天文学家是如何研究太阳黑子并对其建立理论学说的。

如何观测太阳黑子

《天空和望远镜》杂志上刊登的一篇文章详细地描述了如何安全地在你家后院中观测太阳黑子。如果你有一架天文望远镜,你可以在上面安装一个专用的太阳滤镜用来保护你的眼睛和望远镜以免被阳光损伤。你也可以将太阳的影像投影在安装在三脚架上的望远镜或双筒望远镜的目镜后约1到2英尺的白纸或卡片上。为保护你的器材,你可以在望远镜前组前遮盖一张剪开有一个圆孔的纸片,这将将光圈减小到2到3英寸。之后,对准太阳,这个过程可以不必用眼直接观察太阳,移动望远镜直到它在地面上的影子最小,同时一束亮光从目镜中照射到后面放置的纸片上,这样你的望远镜便对准了太阳[来源:MacRobert]

太阳黑子的观测史

古中国的天文学家早在数千年前就观察到了太阳黑子。公元前12世纪的《易经》中记载了‘日中现魅’,即太阳中出现了星星。最早的太阳黑子记载出现在公元前28世纪,其描述为‘黄色的太阳在升起时,中央有一块硬币一样大的黑色气团’。在地球的另一端,在西班牙人在16世纪入侵以前统治墨西哥的印第安人也曾对太阳进行了大量的观测。如之前提到的,它们信仰中的太阳神有一张长有斑的脸。

在欧洲,人们则较难接受太阳黑子的存在。这是由于包括天主教会在内的所有人接受了希腊哲学家亚里士多德的观点即天堂是完美且不变的。因此,当公元807年一个巨大的太阳黑子出现并持续了8天时,他们认为这是由于水星从太阳前经过造成的。

图解:重建的11,000年太阳黑子

然而,天文望远镜在17世纪被发明后,意大利天文学家伽利略和他人都清晰观测到了太阳上的黑斑。天主教神父和天文学家的Cristoph Scheiner尝试着给出了一个与教堂教义不冲突的解释;他认为这些黑斑是由尚未发现的近日行星经过太阳前所造成的,这些行星距离太阳非常近,使得它们只有此时才能被观测到。即使Cristoph Scheiner给出了不同的意见,伽利略对太阳黑子的活动仍然进行了长期的详细研究,并正确地指出黑子是太阳自身的一部分。到18世纪中叶,天文学家对太阳黑子的观测和记录已经日常化。

当科学家记录了越来越多的数据,他们注意到太阳黑子的变化呈现一定的规律。1843年,天文学家施瓦贝第一次描述了11年的太阳黑子周期。

从那时起,科学家们使用一系列工具来研究太阳黑子背后的原理—包括巨大的,特殊冷却以保护镜面不被阳光加热而变形的太阳望远镜。天文学家乔治·埃勒里·海耳发现了太阳黑子的磁性现象并使用该现象证明了太阳内部存在由巨大的磁场。最近,天文学家发现了恒星黑子—其他恒星上的黑子。HD12545这个巨大的恒星拥有比太阳上最大的黑子大10,000倍的黑子。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. PATRICK J. KIGER- science

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