太阳活动(太阳大气层里一切活动现象的总称)

罗尔中值定理 — Tue, 22 Nov 2022 16:01:39 +0000

太阳活动是太阳大气层里一切活动现象的总称。主要有太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和日冕瞬变事件等。时烈时弱，平均以11、22年为周期。处于活动剧烈期的太阳（称为“扰动太阳”)辐射出大量紫外线、x射线、粒子流和强射电波，因而往往引起地球上极光、磁暴和电离层扰动等现象。

简介

太阳是一颗基本稳定的恒星。它的辐射总量（其中大部分是可见光）变化很小。然而，它的外层大气由于受到太阳磁场的支配，处于局部的激烈运动中。太阳活动是太阳大气中局部区域各种不同活动现象的总称。

从某种意义上说，太阳活动可以通俗地比喻为太阳的“天气变化”，它使得太阳辐射在紫外线和X射线波段，有大幅度的起落。太阳黑子是太阳活动的基本标志。

类型

太阳黑子

在各种太阳活动现象中，最为醒目也最容易观测到的现象就是太阳黑子。黑子是出现在太阳明亮光盘上的暗色斑点。中国是世界上首先发现太阳黑子的国家。在《汉书五行志》中记载：“日出黄，有黑气。大如钱，居日中。”记载的是公元前28年5月10日的黑子活动。主要性质：

（1）中心温度比周围太阳表面低。

黑子其实不黑，只是中心温度较低（约为4500度），在明亮的光球反衬下才呈现黑色。黑子的大小不一，最大者可达地球直径的两倍。

（2）黑子常成群出現。

多数太阳黑子成群结队随太阳自转移过日面，每群黑子中通常有前导和後随黑子之分。早在伽利略时代就己发现观测黑子在日面的的运动，可以找出太陽的自转周期。黑子持续时间从几小时到数月不等。前导黑子和后随黑子的磁极性相反，南、北日球黑子群的极性也恰好相反。

（3）黑子是太阳表面的强磁场区域。

美国天文学家Hale 在1908 年，利用Zeemann 效应来测量太阳表明的磁场，发现太阳黑子处的磁场约为太阳表面平均磁场的数百倍，所以黑子是太阳的强磁场区域。磁周期约为22年。

（4）太阳黑子周期约为11年。

如取过去世界各地所观测黑子的平均数目，对年份作图，即可看出太阳黑子的周期性变化。每一黑子周期长者可达13.3年，短的只有7.3年，而平均值是10.8 年，所以现在最常被引用的黑子周期为11年。

（5）太阳黑子的分布–Maunder蝴蝶图（Maunder butterfly diagram）

研究发现，在每个太阳活动周开始时，黑子主要出现在南、北纬度约35°处，而在每个太阳活动周结束时，黑子通常出现在南、北纬度5°处。以年份为橫轴，而以黑子出现的纬度为纵轴来画太阳黑子分布图，在同一活动周中黑子的分布形状象一只蝴蝶，称为Maunder蝴蝶图。

光斑

光斑是与太阳黑子相反的一种光球现象，温度约比光球高1000C，在日面边缘部分所看到的微弱明亮区域就是光球光斑。

谱斑

谱斑是在色球层中可以经常观察到的比周围明亮的大片明亮区域，处在光斑面上方。温度比周围高，常出现在黑子群和大黑子附近。其面积大小是太阳活动强强的一个标志。

日珥

在日全食时，太阳的周围镶着一个红色的环圈，上面跳动着鲜红的火舌，这种火舌状物体就叫做日珥，它像是太阳面的“耳环”一样。按运动情况来看，日珥可分为爆发型、宁静型和活动型这样三大类。宁静日珥，在观测时间内似乎是不动的，而活动日珥，则老在不停地变化着。它们从太阳表面喷出来，沿着弧形路线，又慢慢地落回到太阳表面上。但有的日珥喷得很快、很高，它的物质没有落回日面，而是抛射入宇宙空间了，爆发日珥的高度可以达到几十万千米。1938年爆发的一个最大日珥，顷刻间上升到157万千米的高空。地球的直径不过1.3万千米。日饵是巨大的扭曲磁场拖曳着游离的气体所造成的变化情形可持续数小時到几周或几个月。

耀斑

太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层中，所以也叫“色球爆发”。其主要观测特征是，日面上（常在黑子群上空）突然出现迅速发展的亮斑闪耀，其寿命仅在几分钟到几十分钟之间，亮度上升迅速，下降较慢。虽然它只是一个亮点，但一旦出现，简直就是一次惊天动地的大爆发。这一增亮释放的能量相当于相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸；而一次较大的耀斑爆发，在一二十分钟内可释放1025焦耳的巨大能量。除了日面局部突然增亮的现象外，耀斑更主要表现在从射电波段直到Ｘ射线的辐射通量的突然增强；耀斑所发射的辐射种类繁多，除可见光外，有紫外线、X射线和伽玛射线，有红外线和射电辐射，还有冲击波和高能粒子流，甚至有能量特高的宇宙射线。

耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸，地球大气层即刻出现缭绕余音。耀斑爆发时，发出大量的高能粒子到达地球轨道附近时，将会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。当耀斑辐射来到地球附近时，与大气分子发生剧烈碰撞，破坏电离层，使它失去反射无线电电波的功能。无线电通信尤其是短波通信，以及电视台、电台广播，会受到干扰甚至中断。耀斑发射的高能带电粒子流与地球高层大气作用，产生极光，并干扰地球磁场而引起磁暴。

太阳风

太阳风形成的带电粒子流造成了地球上的极光。

研究历史

太阳活动变化的最长久纪录是太阳黑子的变化。太阳黑子的第一次纪录大约是在西元前800年前的中国，最老的描绘纪录约在西元1128年。

在1610年，天文学家开始用望远镜纪录黑子和它们的运动，最初的研究聚焦于本质和行为。然而，黑子的物理性质直到20世纪能位被辨认，所以观测还在持续中。

在17世纪和18世纪，由于黑子的数目偏低，使得研究受到了阻碍，而现在认为是太阳活动低潮被延长的一段期间，如同所知的蒙德极小期。

在19世纪之前，已经有足够长的数值纪录可以推断黑子活动的周期性。

在1845年，普林斯顿大学的教授约瑟夫·亨利和史蒂芬·亚历山大使用热电堆观测太阳，并且确认黑子的辐射比周围地区的太阳表面为低；稍后又观测到太阳的光斑发射出的辐射高于平均数值。

大约在1900年，研究人员开始探索太阳活动和地球上天气间的关联性，特别值得注意的是查尔斯·格里利·阿布特的工作，因为他在史密松宁天文物理观测所（SAO）领导观察太阳辐射的变化。它的团队必须从发明测量太阳辐射的仪器开始，之后，当他成为SAO的领导人时，他在智利的卡拉玛建立太阳观测站，以补威尔逊山天文台在数据资料上的不足。他在273个月的海耳周期中找出了27个谐波的周期，包括7、13、和39个月的模式。他通过城市各个月的天气纪录，像是温度变化与降雨量与太阳活动匹配或反对太阳活动的趋势，寻找天气间的关联性。随着树龄学的发展，像是沃尔多·S.·葛洛克等科学家注意到树木的生长和现存纪录上太阳活动周期之间的关联性，并且以长达世纪的太阳常数变化，推论千年尺度的年代学也有相似的变化。

统计学上的研究显示天气和气候与太阳活动的关联是世纪性的，数据回推至1801年，当威廉·赫歇尔注意到麦子的价格和黑子纪录之间有明显的关联性。他们现在以来自表面的网络收集和气象卫星观察的数据作全球性高度密集的比对，以综合或观察研究太阳变异的作用如何通过地球气候系统散布的详细过程，并且/或强迫建立气候模型。

影响

极光现象

在靠近地球的极区，晚上常常可以看见天空中闪耀着绚丽多彩、变化多端的光带，这就是极光。极光就是太阳发射出的高速带电粒子流到达地球后，在磁场的作用下，与地球两极地区高空大气分子相互作用产生的高能物理现象。观测表明，极光出现的强度和频繁程度与太阳活动的强弱有密切的关系。

地球磁暴

太阳上存在的11年周期或更长周期活动现象。每当太阳活动峰年太阳黑子相对数增加，耀斑爆发、日冕物资抛射等现象频繁出现，并且发射出大量高能带电粒子到达地球时，就会扰乱地球原有的磁场，引起地球磁暴。

对无线电通讯和电力的影响

当太阳发射出大量高能带电粒子运动到近地空间时，会干扰无线电通讯和地面电力传输，太阳发生大规模的爆发性活动事件时，有关部门需要准备好应对措施。

对宇航的影响

高能带电粒子流也会干扰和破坏空间探测器的设备和运行，甚至威胁到宇航员的生命安全，因此宇航探测设备必需充分考虑到这个因素，要对地球附近以及航线区域的磁场状况、太阳风状况有详细的了解，并考虑好预防措施。

对地球灾害的影响

太阳活动对地球上一些灾害性事件的影响，是许多科学家长期以来所关心的研究课题。资料显示，太阳活动周期与地球上水旱灾害和寒暖变化，地震有一定的关系。例如，研究表明水旱寒暖的年份和地震发生的次数都和太阳活动的11年和22年的周期相关。

对人体的影响

天文因素与人类健康和行为的统计研究发现，在太阳活动引起地球磁暴期间，人的神经系统对太阳活动变化非常敏感，某些疾病、血液系统、神经系统的变化和太阳黑子活动呈现出明显的相关性。这类课题还处于研究阶段。

预报

太阳活动会影响日地空间环境，活动剧烈时，地球的大气和磁环境也会发生改变，从而影响人类的通讯系统、电力系统等，甚至会激发自然灾害。因此，太阳活动对地球的影响已引起人类的广泛关注，准确预报太阳活动已成为当今社会的需要。

科学家现在已经掌握了太阳活动的基本规律，有能力对太阳活动做出各种时间尺度的预报，例如：

长期预报可预报太阳活动周的黑子数；

中期预报可提前几个月或者几天预报太阳黑子、太阳爆发等的变化趋势；

短期预报则可预报1—3天的太阳耀斑爆发事件。

国际上已成立了太阳活动预报中心，中国在二十世纪60年代也已形成了太阳活动观测网与预报网。全球联网资源共享、联合监测，将进一步提高预报太阳活动的准确率。

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