磁層和太陽風2014a分析

1、太陽風和磁層太陽風和磁層 太陽及其輻射太陽及其輻射 太陽結(jié)構(gòu)太陽結(jié)構(gòu)太陽質(zhì)量為太陽質(zhì)量為1.991.99* *10103030千克，千克， 半徑半徑7 7* *10105 5公里，公里，約為地球半徑的約為地球半徑的109109倍，日地距離成為一個天文倍，日地距離成為一個天文單位，用單位，用AUAU表示，表示，1AU = 1.51AU = 1.5* *10108 8公里公里太陽的主要成分為氫離子，結(jié)構(gòu)可以分為太陽的主要成分為氫離子，結(jié)構(gòu)可以分為核、核、輻射區(qū)、對流層、光球、色球和日冕輻射區(qū)、對流層、光球、色球和日冕五層五層太陽結(jié)構(gòu)圖太陽結(jié)構(gòu)圖日核：日核：0.25Rs輻射層：輻射層：0.25-0.

2、86Rs對流層：厚對流層：厚10萬公里萬公里光球：厚光球：厚500公里公里色球：厚色球：厚2000公里公里日冕：最遠可達日冕：最遠可達4-5Rs 太陽結(jié)構(gòu)太陽結(jié)構(gòu)日核日核u 日核即太陽的核心部分，亦稱日核即太陽的核心部分，亦稱核反應區(qū)核反應區(qū)。其中心溫度。其中心溫度在在15001500萬萬K K以上，中心壓力達以上，中心壓力達33003300億大氣壓。日核約占太億大氣壓。日核約占太陽半徑的陽半徑的15%-26%15%-26%，集中了太陽質(zhì)量的一半，并且可以產(chǎn)，集中了太陽質(zhì)量的一半，并且可以產(chǎn)生太陽發(fā)射能量的大約生太陽發(fā)射能量的大約99%99%。u 由于高溫，其物質(zhì)處于氣態(tài)，日核釋放的能量是由四

3、由于高溫，其物質(zhì)處于氣態(tài)，日核釋放的能量是由四個氫原子核聚變?yōu)楹ぎa(chǎn)生，每秒鐘，質(zhì)量為個氫原子核聚變?yōu)楹ぎa(chǎn)生，每秒鐘，質(zhì)量為6 6億噸的氫經(jīng)億噸的氫經(jīng)過熱核聚變反應轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱核聚變反應轉(zhuǎn)變?yōu)?.965.96億噸的氦，并釋放出相當于億噸的氦，并釋放出相當于400400萬噸氫的能量。目前對太陽內(nèi)部氫含量的估計，太陽萬噸氫的能量。目前對太陽內(nèi)部氫含量的估計，太陽至少還能向地球提供至少還能向地球提供5050億年的光和熱。億年的光和熱。 太陽結(jié)構(gòu)太陽結(jié)構(gòu)輻射區(qū)輻射區(qū)u 日核外面一層稱為輻射區(qū)。比起日核來，這里的溫度、密度日核外面一層稱為輻射區(qū)。比起日核來，這里的溫度、密度已急劇下降。從核反應區(qū)發(fā)出的能量開

4、始是以高能已急劇下降。從核反應區(qū)發(fā)出的能量開始是以高能射線的形射線的形式發(fā)出，繼而是式發(fā)出，繼而是X X射線，再往外，光子的能量更為減小，變?yōu)闃O射線，再往外，光子的能量更為減小，變?yōu)闃O紫外線和紫外線。紫外線和紫外線。u 在輻射區(qū)，通過對來自日核的能量極高的光子吸收、再發(fā)射在輻射區(qū)，通過對來自日核的能量極高的光子吸收、再發(fā)射而實現(xiàn)能量傳遞。這里的物質(zhì)每吸收并再輻射一次，便而實現(xiàn)能量傳遞。這里的物質(zhì)每吸收并再輻射一次，便使高能使高能光子的頻率降低（波長變長）光子的頻率降低（波長變長）一些，經(jīng)過無數(shù)次的這種再吸收、一些，經(jīng)過無數(shù)次的這種再吸收、再輻射的漫長過程，使高能光子逐漸再輻射的漫長過程，使高能

5、光子逐漸變?yōu)榭梢姽夂推渌问降淖優(yōu)榭梢姽夂推渌问降妮椛?。輻射。若沒有輻射區(qū)物質(zhì)的作用，太陽將是一個僅發(fā)射高能射若沒有輻射區(qū)物質(zhì)的作用，太陽將是一個僅發(fā)射高能射線的不可見天體。線的不可見天體。 太陽結(jié)構(gòu)太陽結(jié)構(gòu)對流層對流層u輻射區(qū)的外側(cè)，太陽大氣呈對流的不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為對流輻射區(qū)的外側(cè)，太陽大氣呈對流的不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為對流層。其厚度約有層。其厚度約有1414萬公里，也有人認為僅有幾萬公里厚。萬公里，也有人認為僅有幾萬公里厚。u由于這里由于這里溫度、壓力和密度梯度溫度、壓力和密度梯度均很大，使物質(zhì)的徑向?qū)艽?，使物質(zhì)的徑向?qū)α鬟\動強烈。又由于對流運動的非均勻性，可產(chǎn)生低頻聲波流運動強烈。又由于

6、對流運動的非均勻性，可產(chǎn)生低頻聲波- -噪聲，它可將機械能通過光球傳輸?shù)教柕耐鈱哟髿狻Ｔ肼?，它可將機械能通過光球傳輸?shù)教柕耐鈱哟髿?。u至今對日核、輻射區(qū)和對流層的研究尚處于理論探索階段，至今對日核、輻射區(qū)和對流層的研究尚處于理論探索階段，因為上述的太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法直接觀測到。因為上述的太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法直接觀測到。 太陽結(jié)構(gòu)太陽結(jié)構(gòu)-光球?qū)樱梢姳砻妫┕馇驅(qū)樱梢姳砻妫┨柺且粋€氣態(tài)的恒星，它的可見表面是太陽是一個氣態(tài)的恒星，它的可見表面是光球?qū)庸馇驅(qū)樱浒霃?，其半徑約約7 710105 5kmkm，近似為一個，近似為一個6000K6000K的黑體。幾乎全部可見光是的黑體。幾乎全部可見光是從

7、光球?qū)影l(fā)出來的，因而太陽的光譜實際上就是光球的光從光球?qū)影l(fā)出來的，因而太陽的光譜實際上就是光球的光譜。光球上最顯著的現(xiàn)象是譜。光球上最顯著的現(xiàn)象是太陽黑子太陽黑子，黑子并非絕對的黑，黑子并非絕對的黑，原因在于它比周圍區(qū)域的溫度低大約原因在于它比周圍區(qū)域的溫度低大約1500K1500K。黑子實質(zhì)上是。黑子實質(zhì)上是具有強磁場的低于光球溫度的旋渦。具有強磁場的低于光球溫度的旋渦。 太陽結(jié)構(gòu)太陽結(jié)構(gòu)-色球?qū)樱▋?nèi)大氣層）色球?qū)樱▋?nèi)大氣層）光球?qū)右陨鲜峭该鞯纳驅(qū)雍腿展馇驅(qū)右陨鲜峭该鞯纳驅(qū)雍腿彰帷Ｃ?。色球?qū)由驅(qū)雍鼙。诠馇驅(qū)又虾鼙?，在光球?qū)又涎由齑蠹s延伸大約2000km2000km，溫度高達，溫度

8、高達4500-104500-10萬萬K K。它發(fā)出的可見光總。它發(fā)出的可見光總量不及光球的量不及光球的1%1%，因此人們平常，因此人們平?？床坏缴?。發(fā)生日全食時，當看不到色球。發(fā)生日全食時，當光球所發(fā)射的強烈光線被月球完光球所發(fā)射的強烈光線被月球完全遮掩的短時間內(nèi)，或者平時用全遮掩的短時間內(nèi)，或者平時用單色光觀測，可看見它是一個非單色光觀測，可看見它是一個非常美麗的常美麗的玫瑰紅色玫瑰紅色的氣層，因而的氣層，因而得名得名“色球色球”。 太陽結(jié)構(gòu)太陽結(jié)構(gòu)-日冕（外大氣層）日冕（外大氣層）日冕日冕在色球?qū)又?，溫度高在色球?qū)又?，溫度高達達上百萬上百萬K K，日冕向外延伸，日冕向外延伸，沒有明確

9、的中斷。在日全食沒有明確的中斷。在日全食時，人們可觀察到暗黑的天時，人們可觀察到暗黑的天空背景上，月掩日輪周圍呈空背景上，月掩日輪周圍呈現(xiàn)青白色的光區(qū)，這就是現(xiàn)青白色的光區(qū)，這就是太太陽的最外層大氣陽的最外層大氣- -日冕。它由日冕。它由高溫、低密度的等離子體所高溫、低密度的等離子體所組成。日冕的延伸范圍約為組成。日冕的延伸范圍約為太陽直徑的幾倍到十幾倍。太陽直徑的幾倍到十幾倍。其亮度僅相當于滿月的亮度，其亮度僅相當于滿月的亮度，其形狀是變化的。其形狀是變化的。太陽活動太陽活動-太陽耀斑太陽耀斑u太陽活動指太陽外層大氣中局部區(qū)域在有限時間內(nèi)所發(fā)生的太陽活動指太陽外層大氣中局部區(qū)域在有限時間內(nèi)所

10、發(fā)生的現(xiàn)象，包括太陽黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射及日餌等現(xiàn)象。現(xiàn)象，包括太陽黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射及日餌等現(xiàn)象。 太陽耀斑太陽耀斑是一種劇烈的太陽活動現(xiàn)象，是一種劇烈的太陽活動現(xiàn)象，表現(xiàn)為太陽表現(xiàn)為太陽局部輻射的突然增強，電子、質(zhì)子及一些重離子被局部輻射的突然增強，電子、質(zhì)子及一些重離子被加速到接近光速，這些離子發(fā)出的電磁波波段由電加速到接近光速，這些離子發(fā)出的電磁波波段由電磁波譜上的長波微波至最短波長的磁波譜上的長波微波至最短波長的射線。耀斑的產(chǎn)射線。耀斑的產(chǎn)生是磁場能量快速釋放的結(jié)果。這些電磁波能干擾生是磁場能量快速釋放的結(jié)果。這些電磁波能干擾地球的廣播通訊及無線導航系統(tǒng)，而帶電荷粒子亦地球

11、的廣播通訊及無線導航系統(tǒng)，而帶電荷粒子亦能對航行中的太空船和人造衛(wèi)星構(gòu)成危險，也會使能對航行中的太空船和人造衛(wèi)星構(gòu)成危險，也會使太空人處于較高輻射環(huán)境中。太空人處于較高輻射環(huán)境中。太陽活動太陽活動-太陽耀斑太陽耀斑 u耀斑是光球?qū)有^(qū)域的劇烈爆發(fā)，可能持續(xù)耀斑是光球?qū)有^(qū)域的劇烈爆發(fā)，可能持續(xù)幾分鐘至幾分鐘至幾小時幾小時。根據(jù)波長。根據(jù)波長65626562的光發(fā)亮的面積，耀斑分為的光發(fā)亮的面積，耀斑分為1-1-4 4四級。四級。耀斑大多在持續(xù)長時間的暗區(qū)耀斑大多在持續(xù)長時間的暗區(qū)( (黑子黑子) )以及增強以及增強的的65626562發(fā)射區(qū)發(fā)展起來。發(fā)射區(qū)發(fā)展起來。u光學可見的耀斑是比較冷的等

12、離子體，溫度大約為光學可見的耀斑是比較冷的等離子體，溫度大約為104K104K，其主要部分位于，其主要部分位于5000km5000km的較低的高度，也有可的較低的高度，也有可能向上延伸到低日冕。能向上延伸到低日冕。u眼睛見到的發(fā)亮是由于等離子體密度突然增高?？梢娧劬σ姷降陌l(fā)亮是由于等離子體密度突然增高?？梢姷降膮^(qū)域可能有可見日盤的千分之一，但厚度只有到的區(qū)域可能有可見日盤的千分之一，但厚度只有20km20km。 太陽活動太陽活動-日冕物質(zhì)拋射日冕物質(zhì)拋射 日冕物質(zhì)拋射（日冕物質(zhì)拋射（CME）是從太陽的日冕層拋射出來是從太陽的日冕層拋射出來的物質(zhì)，通?？梢允褂萌彰醿x在白光下觀察到。拋的物質(zhì)，通常

13、可以使用日冕儀在白光下觀察到。拋射出來的物質(zhì)主要是電子和質(zhì)子組成的等離子體，射出來的物質(zhì)主要是電子和質(zhì)子組成的等離子體，加上伴隨著的日冕磁場。日冕物質(zhì)拋射（加上伴隨著的日冕磁場。日冕物質(zhì)拋射（CME）是）是太陽系內(nèi)規(guī)模最大，太陽系內(nèi)規(guī)模最大，程度最劇烈的能量釋放過程。程度最劇烈的能量釋放過程。一次爆發(fā)可釋放多達一次爆發(fā)可釋放多達1025焦耳的能量和焦耳的能量和1013 千克的太千克的太陽等離子體到行星際空間陽等離子體到行星際空間，并且伴隨，并且伴隨10keV-1GeV 的高能粒子流。的高能粒子流。CME爆發(fā)時，拋出大量的等離子體爆發(fā)時，拋出大量的等離子體和以及固結(jié)其中的磁場結(jié)構(gòu)（磁通量）。而大

14、量物和以及固結(jié)其中的磁場結(jié)構(gòu)（磁通量）。而大量物質(zhì)和巨大能量將在太陽大氣以及行星際空間產(chǎn)生激質(zhì)和巨大能量將在太陽大氣以及行星際空間產(chǎn)生激波，引發(fā)近地空間的地磁暴、電離層暴和極光等。波，引發(fā)近地空間的地磁暴、電離層暴和極光等。太陽活動太陽活動-日冕物質(zhì)拋射日冕物質(zhì)拋射太陽活動太陽活動-日餌日餌日餌是太陽色球噴日餌是太陽色球噴出的出的似火焰狀似火焰狀的等的等離子體，溫度只有離子體，溫度只有7000K7000K，懸浮在比其，懸浮在比其稀薄的多的上百萬稀薄的多的上百萬K K的日冕中。的日冕中。太陽活動太陽活動-太陽黑子太陽黑子 太陽黑子是太陽表面上的陰暗太陽黑子是太陽表面上的陰暗區(qū)域，一般成群出現(xiàn)，主

15、要出現(xiàn)區(qū)域，一般成群出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在太陽緯度在太陽緯度5 5 至至3030 之間，它擁有之間，它擁有很很強的磁場強的磁場，而其，而其溫度溫度則較其它則較其它地區(qū)地區(qū)低低。太陽黑子的數(shù)量通常用。太陽黑子的數(shù)量通常用作太陽活動的指標。在太陽周期作太陽活動的指標。在太陽周期高峰時，太陽黑子的數(shù)量會明顯高峰時，太陽黑子的數(shù)量會明顯增加，多達數(shù)百。增加，多達數(shù)百。太陽活動周期太陽活動周期太陽黑子數(shù)和太陽活動都有大約太陽黑子數(shù)和太陽活動都有大約1111年的周期變化，黑子年的周期變化，黑子數(shù)高稱為太陽活動高年，黑子數(shù)低稱為太陽活動低年數(shù)高稱為太陽活動高年，黑子數(shù)低稱為太陽活動低年 量化太陽活動性的主要指數(shù)是

16、黑子數(shù)，即量化太陽活動性的主要指數(shù)是黑子數(shù)，即R指指數(shù)數(shù)1958年有一個峰，年有一個峰，R數(shù)值高達數(shù)值高達250，在太陽黑子極小值的，在太陽黑子極小值的年年 份，如份，如1954，1965，1976和和1986年，年，R降至降至20以下甚以下甚至至10以下。以下。對每個對每個11年周期，其變化形態(tài)是年周期，其變化形態(tài)是不對稱不對稱的，從的，從極小升至極大平均極小升至極大平均4.4年，從極大降到極小平均年，從極大降到極小平均6.6年。上升的越快，達到的極大值越高。年。上升的越快，達到的極大值越高。太陽黑子活動水平的觀測用不帶濾光鏡的望遠太陽黑子活動水平的觀測用不帶濾光鏡的望遠鏡以白光方式進行。鏡

17、以白光方式進行。 研究太陽黑子數(shù)目研究太陽黑子數(shù)目長期變化長期變化有助于有助于預測預測未來周期的時間未來周期的時間和強度。和強度。太陽黑子數(shù)時間序列的譜分析表明，存在著其他重要太陽黑子數(shù)時間序列的譜分析表明，存在著其他重要變化的周期另外，變化的周期另外，1111年的周期并年的周期并不是特別穩(wěn)定不是特別穩(wěn)定，可以在，可以在9 9至至1414年之間變化，比較強的周期似乎比較早到來。年之間變化，比較強的周期似乎比較早到來。有些證據(jù)，特別是太陽與天氣關系方面的證據(jù)表明，有些證據(jù)，特別是太陽與天氣關系方面的證據(jù)表明，存在存在2222年周期，即年周期，即雙黑子周期雙黑子周期。太陽活動與某些地球現(xiàn)。太陽活動

18、與某些地球現(xiàn)象的關系研究也表明，存在象的關系研究也表明，存在2222年周期，而不是年周期，而不是1111年周期。年周期。與與1111年周期不太穩(wěn)定相反，年周期不太穩(wěn)定相反，2222年周期相當穩(wěn)定。年周期相當穩(wěn)定。 另一個度量太陽活動性的指標是另一個度量太陽活動性的指標是太陽耀斑的發(fā)生率太陽耀斑的發(fā)生率。它與。它與太陽黑子數(shù)量有以下關系，太陽黑子數(shù)量有以下關系，fN( R10 ) fN其中其中是在一個自轉(zhuǎn)周期是在一個自轉(zhuǎn)周期27天內(nèi)觀測到的耀斑數(shù)目，天內(nèi)觀測到的耀斑數(shù)目，R是平均黑是平均黑子數(shù)，子數(shù)， 是決定于觀測站的常數(shù)，介于是決定于觀測站的常數(shù)，介于1.5至至2之間。之間。太陽活動性的第三種

19、重要的表征是太陽活動性的第三種重要的表征是10cm10cm射電通量，射電通量，其使用其使用的單位是的單位是1010-22-22WmWm-2-2HzHz-1-1，這個量與太陽黑子數(shù)密切相關，而，這個量與太陽黑子數(shù)密切相關，而且因其觀測不受天氣的影響而特別有價值。用一窄束天線且因其觀測不受天氣的影響而特別有價值。用一窄束天線掃描太陽盤面，能畫出活動區(qū)的位置。掃描太陽盤面，能畫出活動區(qū)的位置。衛(wèi)星觀測表明，太陽總的電磁輻射在一個活動周期內(nèi)變化衛(wèi)星觀測表明，太陽總的電磁輻射在一個活動周期內(nèi)變化小于小于0.1%0.1%。太陽風太陽風 太陽風的發(fā)現(xiàn)太陽風的發(fā)現(xiàn) 大約大約100100年前，人們發(fā)現(xiàn)在太陽出現(xiàn)

20、大耀斑之后年前，人們發(fā)現(xiàn)在太陽出現(xiàn)大耀斑之后1-21-2天，地磁場會發(fā)生顯著變化，從而認識到太天，地磁場會發(fā)生顯著變化，從而認識到太陽有動力學輸出的第一個證據(jù)。這陽有動力學輸出的第一個證據(jù)。這1-21-2天的滯后天的滯后時間表明在日地之間的運行速度約為時間表明在日地之間的運行速度約為1000km/s1000km/s，這使人們想到這種輸出可能是太陽的粒子發(fā)射。這使人們想到這種輸出可能是太陽的粒子發(fā)射。 1930-311930-31年，年，ChapmanChapman和和FerraroFerraro提出從太陽提出從太陽偶爾偶爾發(fā)射出的粒子流會壓縮地磁場，地磁場在太陽風發(fā)射出的粒子流會壓縮地磁場，地磁場在太陽風中形成一個地磁空腔，后來叫做中形成一個地磁空腔，后來叫做“磁層磁層”。 19581958年年ParkerParker理論上證明太陽大氣是連續(xù)不斷地理論上證明太陽大氣是連續(xù)不斷地向外膨脹的