太陽活動總結_xue.doc

太陽活動總結08級 薛夢瑤 0810160009大量觀測表明，太陽除了穩(wěn)定的均勻地向四面八方發(fā)出輻射的同時，它的大氣中的一些局部區(qū)域，有時還會發(fā)生一些存在時間比較短暫的活動事件。例如在太陽光球中比周圍暗的的小區(qū)域太陽黑子，和比周圍明亮的區(qū)域光斑；色球和日冕大氣層中偶爾發(fā)生的有巨大能量釋放的太陽爆發(fā)現(xiàn)象太陽耀斑；突出于色球平均高度之上的形狀奇特的太陽物質日珥；在色球層中也可觀測到比周圍明亮的大片區(qū)域譜斑。一、太陽活動現(xiàn)象1、太陽黑子：太陽黑子是太陽光球上的活動現(xiàn)象，它們是可見光下呈現(xiàn)比周圍區(qū)域黑暗的斑點狀小區(qū)域。在各種太陽活動現(xiàn)象中最醒目也最容易觀測的現(xiàn)象就是太陽黑子。我國史書上就有豐富的太陽黑子目視記錄。自1818年開始有了比較常規(guī)的每日黑子觀測，Heinrich Schwabe 通過1826至1843年間的日常黑子觀測，首先發(fā)現(xiàn)了太陽黑子出現(xiàn)數(shù)量的11年周期性變化。黑子的觀測特征有：（1）黑子傾向于成對或成群出現(xiàn)，復雜的黑子群由幾十個大小不等的黑子組成，每個黑子的大小自幾百至幾萬公里。通常黑子群包含兩個較大的主要黑子，按太陽自轉方向在黑子群西部的黑子稱為“前導黑子”， 相應的，在東部的黑子稱為“后隨黑子”。 相比于后隨黑子，前導黑子往往大都出現(xiàn)較早，消失較遲，壽命較長，面積較大，出現(xiàn)的緯度也較低，在日面上的分布也更緊密。（2）黑子在日面上的分布存在明顯的緯度分布的不均勻性：黑子群通常出現(xiàn)在赤道兩邊8至45之間的區(qū)域。黑子群出現(xiàn)的緯度變化呈現(xiàn)“蝴蝶圖”：每個活動周期開始黑子出現(xiàn)在高緯區(qū)，然后逐漸走向低緯區(qū)（斯玻勒定律）黑子的結構與形態(tài)：黑子由本影和半影組成。黑子中心區(qū)常有一塊或幾塊特別黑暗的核心，稱為本影，圍繞本影的淡黑區(qū)域稱為半影。由光度和光譜測量可知，本應溫度約4000K至4500K，半影溫度約為5500K。在高分辨率的黑子照片上可以看到，本影中有時會出現(xiàn)一些明亮的細溝，稱為亮橋。如果照片曝光適當，將能看到本影中也存在米粒。（3）太陽黑子的變化：黑子數(shù)量的平均變化周期大約為11年，在此期間黑子逐漸向赤道方向運動2、太陽耀斑：太陽耀斑是最劇烈的太陽活動現(xiàn)象。早先也稱為色球爆發(fā)，指H單色光看到的太陽色球層譜斑中的突然增亮，而后來的多波段觀測表明，同時還有從波長短于1的射線和X射線到波長達幾公里的射電波段間幾乎全波段的電磁輻射增強，以及發(fā)射能量從103eV直到1011eV的各種粒子流及大規(guī)模的物質運動和拋射現(xiàn)象。其準確定義為：發(fā)生在太陽表面局部區(qū)域中突然和大規(guī)模的能量釋放過程。3、日珥：日珥是日全食時或在色球望遠鏡中所看到的突出于太陽邊緣色球之上的火焰狀物體。日珥在日輪上的投影就成了暗條。在太陽邊緣看到的日珥形狀多樣，厚度約為五千公里，高度一般為幾萬公里，長度可達一二十萬公里，爆發(fā)日珥的高度有時也可達幾十萬公里。日珥的主體部分在日冕中當中，底端與色球相連，有精細結構，一般由長條狀纖維組成，其中的亮塊稱為節(jié)點。日珥分布廣泛，除了中緯和低緯的黑子帶日珥外，還有緯度超過40的極區(qū)日珥。黑子帶日珥的出現(xiàn)規(guī)律與黑子相似，依據(jù)11年周期；極區(qū)日珥則在黑子數(shù)極大過去3年后開始出現(xiàn)，持續(xù)到黑子極小期。日珥大體可分為三類：（1）寧靜日珥，其形狀長期穩(wěn)定，體積較大，壽命可達23太陽自轉周，常出現(xiàn)于活動區(qū)發(fā)展的后期，也出現(xiàn)于高緯；（2）活動日日珥（黑子日珥或電磁日珥），出現(xiàn)在黑子群附近，其形狀不斷變化，物質非徑向運動；（3）爆發(fā)日珥，某些寧靜日珥或活動日珥會突然發(fā)生猛烈的爆發(fā)性膨脹或向外拋射，形成爆發(fā)日珥。日珥光譜與色球相似，主要為發(fā)射線，從其發(fā)射線輪廓和寬度分析，日珥溫度約7000K，湍流速度vt4km/s，電子密度ne=1010-1011cm3，日珥具有不對稱的譜線輪廓。二、理論解釋實際觀測表明，太陽上到處存在磁場，而且許多太陽活動現(xiàn)象，例如太陽黑子的形成與演化，太陽耀斑的物理過程，日珥的形成與演化，以及太陽活動周的解釋，和太陽高層大氣的加熱等，本質上是等離子體與磁場相互作用的結果。而描述磁場中導體運動規(guī)律，則需用考慮電磁力的運動方程、連續(xù)性方程、能量平衡方程、物態(tài)方程、麥克斯韋方程，廣義歐姆定律以及感應方程構成磁流體力學基本方程組。感應方程 感應方程 表明磁場隨時間的變化有兩部分引起，方程右端第一項表示流體運動引起的感應電場產生的附加磁場對原磁場的影響，第二項表示有限電導率對磁場產生擴散衰減（歐姆衰減）。這兩種過程分別可近似為，二者之比即為磁雷諾數(shù)。 表示磁擴散比導體流動快速，擴散占優(yōu)；表明磁擴散慢于導體流動，也就是凍結。太陽磁場的產生：太陽發(fā)電機理論目前認為，維持周期性太陽活動過程的物理機制是太陽等離子體自身運動感應的磁場所表現(xiàn)的周期性現(xiàn)象。太陽上是連成一片的導電等離子體，并且永遠處于短路狀態(tài)，它能形成自激發(fā)電機的原理是什么呢？從觀測上以及Babcock和Leighton的模型中可知，太陽活動周的主要特征是極向磁場與環(huán)向磁場之間的相互轉換。極向磁場是指磁力線在子午面內，在球極坐標中只有r和分量而無分量的磁場；環(huán)向磁場則是指磁力線環(huán)繞太陽自轉軸并且大致與緯度圈平行的磁場。例如極向磁流管由于太陽較差自轉的同時由于磁凍結效應不斷纏繞而變成環(huán)向磁流管，單位面積內磁力線數(shù)增加，磁通量增加，磁場增強，由于磁浮力和對流上升到太陽表面形成雙極黑子。而表征環(huán)向磁場的雙極黑子群的極性分離，擴散和對消，最終又變成新的極向磁場。因此，探索發(fā)電機理論的主要思路，就是在現(xiàn)有太陽速度場（主要是較差自轉和對流）條件下，尋求可以實現(xiàn)極向磁場與環(huán)向磁場之間不斷相互轉化的磁場解。磁凍結效應：在面S與邊界線C一起運動的過程中，它們的磁通量不發(fā)生變化，意味著磁力線系與流體一起運動，這就是磁凍結效應。磁擴散與耗散當?shù)入x子體的磁雷諾數(shù)Rm很大時，磁場與等離子體將被凍結在一起，空間某一固定點的磁場變化只能通過等離子體流動產生。反之，若電導率不太大，而磁場梯度很大，即使流體不動，磁力線也會相對于流體擴散。磁場擴散意味著產生磁場的電流系統(tǒng)的衰減，從而使磁場耗散于Joule熱。因此擴散與消耗是因果關系。電流或磁場的衰減時標是，磁擴散率，電導率。磁湮沒和磁重聯(lián)以及其熱效應計算表明，太陽上磁場擴散最顯著的區(qū)域，除了光球中的溫度極小層之外，就是黑子本影區(qū)。這些區(qū)域的溫度只有4000K，其只有光球中處的幾百分之一。而且在磁場梯度較大（如黑子本影區(qū)）和壓力較大的區(qū)域，往往存在等離子體湍流，出現(xiàn)反常電阻，等效于進一步減小，從而增加擴散。此外，在原有黑子附近，若有新磁流浮現(xiàn)，有時會產生磁力線反平行的薄片區(qū)，稱為磁中性片或電流片。當?shù)入x子體從兩側流向電流片，并沿著電流片逸走時，被帶到電流片的磁能將被耗散，其中一部分轉化為Joule熱，另一部分轉化為等離子體動能。前者稱為熱耗散，后者稱為動力耗散。電流片有時也稱為磁場反轉區(qū)，它包括中心部分的磁力線重聯(lián)區(qū)和外圍的磁場擴散區(qū)兩部分。在電流片外，磁場是凍結的。在電流片內，耗散效應與對流效應同時起作用（因其雷諾數(shù)接近1）。對于太陽上得情況計算表明，電流片的厚度大約只有幾十公里（太陽耀斑區(qū)的電流片可能只有幾十米），而電流片的密度卻非常大。當凍結在等離子體中的磁力線從兩側向電流片運動到耗散起作用的擴散區(qū)后，磁力線將擴散，形象的說，就是一條磁力線變成了一片，通常稱為磁力線湮沒或磁湮沒。這樣，一條磁力線到了擴散區(qū)將被斷開，過了擴散區(qū)，斷開的磁力線又會與對面來的斷開的磁力線重新連成一條磁力線，通常稱為磁重聯(lián)。重聯(lián)后磁力線隨等離子體向上下兩個方向逸出擴散區(qū)。見下圖1圖1.磁湮沒與磁重聯(lián)，陰影為重聯(lián)區(qū)，其周圍為擴散區(qū)從磁湮沒到磁重聯(lián)的過程，有時合并稱為磁吞并。由于擴散區(qū)的耗散作用，重聯(lián)區(qū)的磁場比外面的磁場弱，所以在吞并過程中，等離子體是由強磁場