現(xiàn)代天文學(xué)與諾貝爾物理學(xué)獎講義 第4章提要

1、第四章、太陽和磁流體力學(xué)1，太陽的基本情況2，太陽活動現(xiàn)象及對地球的影響，光譜觀測，太陽觀測設(shè)備，阿爾文的太陽磁流體力學(xué)阿爾文1908年5月30日生于瑞典。在烏普沙拉大學(xué)畢業(yè)，1934年獲得博士學(xué)位。當(dāng)他還是博士研究生的時候，他就創(chuàng)立了一個關(guān)于宇宙輻射起源的理論。阿爾文善于提出新概念、新思想，從天文現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律，更善于把自己發(fā)展起來的理論用于解釋復(fù)雜的天文現(xiàn)象。他是太陽和宇宙磁流體力學(xué)新學(xué)科的奠基人。瑞典天文學(xué)家阿爾文因為對宇宙磁流體動力學(xué)的建立和發(fā)展作出的卓越貢獻而榮獲1970年度諾貝爾物理學(xué)獎，這是對他近40年科學(xué)生涯最公正的評價。1，太陽的基本情況太陽的基本情況a%太陽結(jié)構(gòu)橫型

2、（丁溫度，以開為單位（p密度，以克/厘米為單位太陽是距離我們最近的恒星；中等質(zhì)量的壯年恒星；日地距離149597870千米；半徑比地球大109倍，體積是地球的130萬倍；質(zhì)量為99X103o千克，是地球的33萬倍；太陽是氣體球，平均密度為1.409克/厘米3。太陽的結(jié)構(gòu)內(nèi)核：熱核反應(yīng)，產(chǎn)能區(qū)輻射層；對流層；光球：光亮的球?qū)?，溫?000K；色球：溫度比光球高,波長656.28納米的紅光很強；日冕：溫度百萬度；射電輻射來自日冕。太陽化學(xué)組成太陽有68種元素氫78.4%；氦19.8；氧0.8%；碳0.3%；氮、氖、鎳各占0.2%；其余元素均在0.1%以下。太陽元素”的發(fā)現(xiàn)1868年8月18日，法國

3、天文學(xué)家詹遜在印度觀測日全食時，發(fā)現(xiàn)日珥的兩條鈉線旁邊還有一條橙黃色明線（D3）,不知是什么元素的譜線。在當(dāng)時化學(xué)家所列的表格中，沒有一種物質(zhì)有這條黃線，不能和已知的地球上任何元素的譜線不相對應(yīng)。于是把這種元素命名為氦，原意為“太陽”，曾稱”太陽元素”。27年后，一位名叫雷姆塞的英國化學(xué)家終于在地球上也找到了氦。2，太陽活動現(xiàn)象及對地球的影響太陽磁場從縱的方向看，太陽各層大氣里的磁場很不相同；從橫的方向看日面各部分磁場相差很大，既有大范圍的大尺度磁場，也有直徑不到幾萬千米的小尺度磁場。太陽黑于磁場是最強的磁場。太陽活動都與磁場有關(guān)，磁場是活動區(qū)最本質(zhì)的特征。在磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活動區(qū)，還能觀測到耀斑

4、、射電爆發(fā)、日珥等。太陽黑子相對數(shù)變化的11年周期黑子“蝴蝶”圖在11年活動周期中，黑子分布呈現(xiàn)蝴蝶狀從高緯到低緯的變化。每只蝴蝶對應(yīng)一個活動周。黑子出現(xiàn)在南北緯度350之間。黑子磁極性變化有22年周期日面上的偶極黑子群中，前導(dǎo)黑子總是與后隨黑子的極性相反。在同一個活動周中，南半球的前導(dǎo)和后隨黑子的極性情況是一樣的。南半球和北半球的情況相反。每一個太陽活動周期中，黑子群的磁極性分布保持不變，但下一個周期的情況則截然相反。太陽的較差自轉(zhuǎn)太陽赤道轉(zhuǎn)得快：約27天轉(zhuǎn)一圈。極區(qū)轉(zhuǎn)得慢：約33天轉(zhuǎn)一圈日珥在色球?qū)佑袝r有一束束竄得很高的火柱就是日珥，是一種十分美麗壯觀的太陽活動現(xiàn)象。日珥比光球暗得多，也只

5、有在日全食時或者使用色球望遠鏡才能看到。日珥一般高約幾萬公里，大大超過了色球?qū)拥暮穸?，主要存在于日冕層?dāng)中。寧靜日珥的形狀可數(shù)月不變。爆發(fā)日珥則以每秒700多公里的速度噴發(fā)到日冕中去。耀斑在大的黑子群上面，比較容易發(fā)生的一種爆發(fā)現(xiàn)象。耀斑是太陽上最強烈活動現(xiàn)象。耀斑的最大特點是來勢猛，能量大。在短短一、二十分鐘內(nèi)釋放出的能量相當(dāng)于地球上十萬至百萬次強火山爆發(fā)的能量總和。耀斑產(chǎn)生在日冕的低層。耀斑和黑子有著密切的關(guān)系。耀斑對地球有巨大影響，耀斑產(chǎn)生強大的由高能粒子組成的太陽風(fēng)，吹到地球附近，對地球產(chǎn)生影響：對地球上的電訊有強烈的干擾；對正在太空遨游的宇航員有致命的威脅；在地球大氣高層產(chǎn)生極光。美

6、麗的極光極光是唯一能用肉眼看到的高層大氣中發(fā)生的物理現(xiàn)象。極光發(fā)生在地球兩極高層大氣中，來自太陽活動區(qū)帶電粒子闖入地球高層大氣，與大氣中的分子或原子碰撞而產(chǎn)生的放電過程。由于地球磁場的作用，太陽高能粒子到達地球時就向地球磁極靠攏，因此在地球上高磁緯地區(qū)能看到極光。極光的形態(tài)變化萬千，顏色絢麗多彩。極光的每一次出現(xiàn)，都好似大自然恩賜給人類的一幅美麗畫卷。凡是有幸親眼目睹過極光的人都會在他們的腦海里留下終身難忘的印象。地球上看極光：在磁緯6070的區(qū)域內(nèi)，圍繞地球南北磁極的兩個圓環(huán)狀地帶。地球的北磁極在加拿大大境內(nèi)。地球的磁南北極與地理南北極之間大約相距11。高緯度地區(qū)出現(xiàn)極光現(xiàn)象較多。磁緯越低的

7、地區(qū)，只是偶而能見到極光。極光橢圓在地球磁場的作用下，從太陽來的高能粒子不能沿磁極區(qū)的磁力線作螺式下降。太陽風(fēng)從太陽攜帶來的磁場和地球場相互作用，放電過程是在以磁極為中心的圓形區(qū)域的邊界進行的。極光發(fā)生在圍繞磁極的一個近似橢圓形的環(huán)狀區(qū)域。人們稱之為極光橢圓。而不是在磁極區(qū)。史書中記載古羅馬帝國時代偶然出現(xiàn)了一次極光。人們都認為是附近發(fā)生了大火災(zāi)，害得消防隊員們忙了半夜，也沒有找到火災(zāi)現(xiàn)場。3，光譜觀測基爾霍夫光譜的三條定律（1870年，德國物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)）熾熱的物體發(fā)出連續(xù)光譜；低壓稀薄熾熱氣體發(fā)出某些單獨的明亮譜線；較冷的氣體在連續(xù)光源前面產(chǎn)生吸收譜線。太陽光譜研究太陽光譜（連續(xù)譜、

8、發(fā)射線和吸收線）可給出太陽大氣的結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)、化學(xué)成分以及太陽活動的性質(zhì)等。太陽光經(jīng)過棱鏡后被分為七色光，波長從400nm700nm（毫微米），這是太陽的連續(xù)譜。吸收線：在太陽連續(xù)光譜的上面有許許多多的粗細不等、分布不均的暗黑線，共有2萬多條。發(fā)射線：在連續(xù)光譜上還有成千上萬條明亮的譜線。黑體輻射譜是連續(xù)譜，其強度、分布和峰值由溫度決定。太陽的觀測曲線和5800K的黑體輻射譜很相似，所以認為太陽光球的溫度約為6000K。能級、發(fā)射線、吸收線和電離13.6eV人比片Paschenseries12.73eV聞丁丹10.19eV0eVBalmerseries皆I廿11rLymnseries測量天體

9、磁場的方法塞曼效應(yīng)：19世紀末物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在均勻磁場中，原子輻射產(chǎn)生的某一條發(fā)射譜線要分裂為兩條或三條，分裂程度與磁場強弱有關(guān)。電子從高能級躍到低能級，發(fā)射一定頻率的譜線。有磁場時，能級分裂導(dǎo)致譜線分裂，分裂程度與磁場強度成正比，因此根據(jù)譜線分裂的情況可以測出磁場來。天文學(xué)家利用塞曼效應(yīng)設(shè)計出觀測太陽和恒星磁場的設(shè)備。太陽是唯一的一顆能給出表面磁場分布的恒星。4，太陽觀測設(shè)備（略）5，阿爾文對磁流體力學(xué)的貢獻（1）阿爾文首先提出星際空間處處有磁場：阿爾文于1937年（29歲）首先提出“銀河系的星際空間到處都存在磁場”在那時，人們并未觀測到，也不認為銀河系到處都有磁場。這一假設(shè)一直受到冷落。到4

10、0年代才發(fā)現(xiàn)銀河系存在磁場的跡象。到六十年代測出銀河系磁場的分布之后才最后證實阿爾文的假設(shè)。磁場在宇宙中普遍存在：地球的磁場強度很弱，只有0.5高斯。太陽的平均磁場約為2高斯，太陽黑子區(qū)域的磁場卻高達幾百至幾千高斯。有些恒星磁場很強，可達幾千乃至幾萬高斯。白矮星的磁場達到105107高斯。宇宙中磁場最強要算中子星，達到了1081014高斯。銀河系星際空間的磁場僅僅有10-510-6高斯。（2）阿爾文首先提出宇宙中普遍存在等離子體：核外電子變?yōu)樽杂呻娮拥倪^程稱為電離。電離后的物質(zhì)變?yōu)檎x子和電子以及未經(jīng)電離的中性粒子所組成。這種狀態(tài)就是物質(zhì)的第四態(tài)等離子體。等離子體的形成物體在高溫條件下或受X射

11、線、射線的照射后，原子核外的電子因獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛成為自由電子。這種核外電子變?yōu)樽杂呻娮拥倪^程稱為電離。電離后的物質(zhì)變?yōu)檎x子和自由電子，總體上還是電中性的。物質(zhì)處于等離子體態(tài)。生活中見到的日光燈或霓虹燈，就是用人工方法在真空玻璃管中制造的低溫等離子體。太陽是高溫等離子體球?qū)τ陔婋x氣體無論是部分電離還是完全電離的氣體，雖然在某些方面跟中性氣體有相似之處，如描述氣體的宏觀物理量密度、溫度、壓力等對電離氣體同樣適用，但是，它的主要性質(zhì)卻發(fā)生了本質(zhì)的變化，即電離氣體的行為主要受電磁力的支配。恒星恒星表面的溫度在5000至10000K之間，在這個溫度范圍內(nèi)物質(zhì)只能部分電離。但是到了恒星的

12、內(nèi)部，越向里去，溫度越高，電離程度越來越高，在恒星核心區(qū)的物質(zhì)則是100地被電離。星際氣體星際氣體的溫度比較低，但其周圍的恒星輻射或高速星風(fēng)作用也會使其電離而成為等離子。宇宙中幾乎99的物質(zhì)都是等離子體。實際上，在天文學(xué)的研究中，幾乎完全依靠等離子體的輻射來獲取知識。（3）阿爾文發(fā)現(xiàn)磁凍結(jié)現(xiàn)象宇宙中既有等離子體又有磁場，磁場的變化就具有新的特點。阿爾文發(fā)現(xiàn)等離子體在磁場中運動的一個新現(xiàn)象，那就是磁凍結(jié)。等離子體在磁場中運動必然帶著磁力線一起運動，相當(dāng)于磁力線凍結(jié)在物質(zhì)里面了，或者說等離子體粘連在磁力線上了。磁場凍結(jié)的條件磁場擴散非常慢在天體物理的研究對象中，如太陽黑子、太陽及銀河系等幾何尺度非

13、常大，總滿足磁場擴散非常慢的條件，因此天體物理研究中的等離子體基本上是和磁場凍結(jié)在一起的。等離子體要運動必然帶著磁力線一起運動。等離子體在磁場中的運動等離子體是流體要遵從流體力學(xué)的規(guī)律。等離子體在磁場中運動又要遵從電動力學(xué)的規(guī)律。僅用流體力學(xué)或電動力學(xué)都不能正確解釋它們在磁場中的運動的特征。等離子體在磁場中作螺旋軌道運動等離子體在磁場中的運動受到羅倫茲力的作用。當(dāng)帶電粒運動方向與磁力線垂直，羅倫茲力只改變粒子的運動方向，使它們作勻速圓周運動。正離子的質(zhì)量比電子的大得多，因此其回旋半徑大，距磁力線要遠。當(dāng)帶電粒子的運動方向與磁力線不垂直時，帶電粒子則按螺旋狀軌道運動。（4）阿爾文波磁流體力學(xué)波1

14、942年阿爾文發(fā)現(xiàn)了磁流體力學(xué)波。在等離子體和磁場凍結(jié)在一起的情況下，磁力線存在著張力。彈撥樂器的弦線，在外力的作用下，就發(fā)生振動，產(chǎn)生沿弦線方向的橫波傳播。粘附著等離子體的磁力線也像一根弦線一樣，當(dāng)在垂直磁力線方向上受到擾動后，也會產(chǎn)生一種橫波。阿爾文波速度公式阿爾文波的速度僅是磁場強度（B）和密度（P）的函數(shù)。磁場越強，密度越小，速度越大。無人相信阿爾文波流體力學(xué)理論認為一般的理想流體中是沒有橫波的。阿爾文提出后，學(xué)術(shù)界無人相信。實驗證實阿爾文用水銀作實驗，磁場是1000高斯，結(jié)果得到了速度約為75厘米/秒的阿爾文波。確認阿爾文波存在，并與理論估計的一致。（5）太陽活動規(guī)律及其解釋活動規(guī)律

15、太陽黑子相對數(shù)變化的11年周期；在11年活動周期中，黑子分布呈現(xiàn)蝴蝶狀從高緯到低緯的變化。每只蝴蝶對應(yīng)一個活動周；日面上的偶極黑子群中，前導(dǎo)黑子總是與后隨黑子的極性相反；太陽磁極性變化有22年周期。太陽黑子理論1942年，阿爾文就用阿爾文波來解釋太陽黑子的形成和它們的11年周期性變化，逐漸發(fā)展成為系統(tǒng)的太陽黑子理論。太陽黑子中的對流過程可以激發(fā)出阿爾文波，由于阿爾文波沿磁場傳播把能量帶走，導(dǎo)致黑子內(nèi)部溫度下降，從而解釋黑子的溫度比較低的觀測事實。巴布柯克萊頓太陽周學(xué)說目前流行的巴布柯克萊頓太陽周學(xué)說則是阿爾文學(xué)說的發(fā)展。北*東曲南(a)rr(d)巴布柯克-萊頓的太陽摘學(xué)說g）原始偶極磁場（b）

16、較差自轉(zhuǎn)使磯感線纏統(tǒng)（小浮出成對的黑子（d）扱區(qū)場的抵消與反轉(zhuǎn)極性由上圖可以說明這個學(xué)說的要點：(a)太陽普遍磁場是偶極磁場在太陽的相對淺層內(nèi)有南北方向的磁場，磁力線在光球之下；磁力線在太陽一個極區(qū)穿出，從另一個極區(qū)穿入(圖a)(b)較差自轉(zhuǎn)使磁力線纏繞在太陽的條件下，物質(zhì)和磁力線彼此“凍結(jié)”在一起的，物質(zhì)運動也要把磁力線帶著一起運動。由于較差自轉(zhuǎn)，在太陽不同緯度地區(qū)的自轉(zhuǎn)速度不同，導(dǎo)致磁力線纏繞，而使高緯度地區(qū)的磁場增強。局部擾動也使磁場增強，出現(xiàn)局部強磁場區(qū)。(圖b)浮出成對的黑子有磁場的地方存在磁浮力。磁場越強，磁浮力越大。磁浮力把光球之下的物質(zhì)連同凍結(jié)在一起的磁力線浮出光球表面，磁力線

17、并未斷開，形成“雙足”，即雙極黑子(圖c)極區(qū)磁場的抵銷與反轉(zhuǎn)磁極太陽活動前半周，黑子出現(xiàn)在高緯度，偶極群的后隨部分逐轉(zhuǎn)漸向極區(qū)擴散，不斷和極區(qū)磁場中和，使極區(qū)磁場減小。在活動極大期，極區(qū)磁場全部被中和掉。太陽系演化幾十種太陽系起源的學(xué)說可分為兩類。一類認為太陽系是由同一塊星云物質(zhì)凝聚而成的，另一類則認為太陽系是一次突然的災(zāi)變中產(chǎn)生的。20世紀的研究，星云說占上風(fēng)。1942年以后阿爾文發(fā)表了一系列的論文，并在1954年和1976年出版專著太陽系的起源和太陽系的進化。成為影響較大、比較成熟的一種。太陽系形成的拉普拉斯星云說一團熾熱的球形星云由于冷卻收縮和自轉(zhuǎn)離心力的作用分離出一個個氣體環(huán)。收縮使自轉(zhuǎn)加快，形狀變扁。引力和離心力相等時停止收縮，離心力超過引力時便分離出一個圓環(huán)，最后形成行星。阿爾文的太陽系的起源學(xué)說高度電離的星云具有磁場，星云的中心部分形成太陽，并具有很強的磁場。太陽磁場控制太陽附近的電離氣體云保持在太陽附近約0.1光年的距離內(nèi)。附近的星云由于冷卻慢慢地還原為中性氣體，中性原子不再受磁場約束，在太陽引力作用下不斷地向太陽下落。中性的星云氣體在下落的過程中，引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽?/p>