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太阳黑子之谜
2022-05-10

太阳的表面并不是无瑕的,有时也会出现或多或少的黑斑,这就是太阳黑子.

我国对黑子的观测可以说是源远流长.各国学者公认的世界上最早的太阳黑子记录,详细地记载在我国古书《汉书.五行志》里:"汉成帝河平元年三月乙未,日出黄,有黑气大如钱,居日中央."据专家考证,乙未应为己未.这指的是公元前28年5月10日的一次大黑子.这条记录不仅说明了黑子出现的日期,还描述了黑子的大小、形状和位置.

其实,我国还有更早的黑子记录,公元前140年前后成书的《淮南子.精神训》中有"日中有蹲鸟"的记载,蹲鸟就是黑子,再往前推,甚至可以上溯到3000多年前的殷代,殷墟出土的甲骨文中就不乏太阳黑子的记录.近些年来,我国天文工作者从公元前781年到公元1918年约2700年的历史典籍中,查出数百条有关黑子的记载,它们是极其宝贵的科学遗产.现代太阳物理学创始人、美国著名天文学家海耳曾高度赞扬说:"中国古人测天的精细和勤勉,十分惊人.远在欧洲人之前约2200年,就有黑子观测,历史记载络绎不绝,而且记录得比较详细和确实,毫无疑问是可以通过考证而得到确认的."

欧洲人观测太阳黑子开始于意大利天文学家伽利略.1610年,伽利略用望远镜在雾霭中观察太阳,并看到了太阳黑子.与他同时使用望远镜观测太阳黑子的还有德国的赛纳尔、荷兰的法布里修斯和英国的哈里奥特.

从肉眼直接观测到使用望远镜观测,标志着人类对太阳黑子现象的研究逐渐走向科学阶段,伽利略之后,人们对太阳黑子的研究如雨后春笋,蓬勃开展,不但揭示出太阳活动奇妙的规律,而且就太阳活动对人类环境和人类自身的影响,有了越来越多的了解.特别是进入20世纪以来,天文学家对黑于磁场、黑子光谱、黑子物理状态做了大量研究,建立了完整的黑子形成和演化理论.尽管如此,像黑子为什么是黑的?黑子是怎样形成的?这样一些最基本的问题还没有最终搞清楚.近年来的观测更是发现了一系列崭新的现象,它们向太阳物理学家提出反诘使传统观念受到猛烈冲击,太阳黑子这个

古老问题更加引人入胜.

黑子其实并不黑

黑子看上去的确是黑的,但它实际上并不黑,只是在耀眼的光球衬托下才显得暗淡无光.其实一个大黑子比满月发出的光要多得多,即使太阳整个圆面都布满了黑子,太阳依旧光彩照人,就像它离地平线不高时的情景一样.

一般来说,黑子的中心最黑,称为本影,周围淡的部分称为半影,本影.的半径约为半影的2/5.一个典型黑子本影的平均温度约410K,比周围的光球低1700K左右.为什么黑子的温度较低呢?这个问题困扰了人们很长时间.

本世纪初,海耳首先对黑子磁场进行测量,发现黑子的磁场很强,并且磁场强度与黑子表面积有关.小黑子的磁场强度约1000高斯,而大黑子可达3000~4000高斯,甚至更高.有人把黑子叫做日面上的"磁性岛屿",由此人们很容易想到,黑子的黑与强磁场之间可能有某种联系.

1941,比尔曼提出,黑子的变暗是由于强磁场抑制光球深处热量通过对流向上传输的作用造成的.这个解释很直观.后来柯林对此模型又进行了一些修正,认为黑子中还有一些对流,但比背景中的热量传递小得多.观测也证实了黑子中有较弱的对流.

这个理论得到了天文界的普遍承认,然而随着观测和研究的深入,比尔曼理论的破绽开始暴露出来了.按照他的说法,在黑子下面,对流被磁场抑制了,那么对流所输送的能量到哪里去了?

为此,美国天文学家帕克提出了一个崭新的论点.在磁场引起低温这一点上他和比尔曼是一致的.但他认为,磁场并没有抑制,而是大大促进了能量的传输.黑子的强磁场把绝大部分热量变换为磁流体波,磁流体波沿磁场传播,并带走了一部分能量,从而使黑子内部温度变低,同时又没有多余能量如何积累的问题.新理论比旧理论更加合理,但它还不是终极理论.

黑子方队

太阳黑子大多喜欢成群结队.复杂的黑子群由几十个黑子组成,而大多数黑子群是由两个主要黑子组成,沿着太阳自转方向,位于西边的黑子叫做"前导黑子",位于东边的黑子叫做"后随黑子",大黑子周围还有许多小黑子.极性相同的一对或一群黑子称为单级群,极性相反的一对或一群黑子称为双极群.黑于群中极性分布不规则的称为复杂群.

通过长期观测,19世纪40年代,施瓦布发现太阳黑子数目表现出一种周期性的变化,变化周期大约是10~11年.后来斯玻勒又进一步发现黑于在日面上随时间变化的纬度分布具有一定的规律性.一般说来,一个周期的黑子刚出现时,都在日面纬度30°附近.在黑子较多的时候,则在纬度15°左右.周期结束时,黑子多半在低纬度地区出现和消失.上一个周期的黑子还没最后消失,下一个周期的黑子又在纬度30°附近出现了.另外,几乎所有的黑子都出现在纬度8°~45°之间,极少有超过这个范围的.如果以黑子群的日面纬度平均值作纵坐标,时间为横坐标,绘出的黑子群日面纬度分布图,就像一群排列整齐的蝴蝶.

另外,人们还发现在黑子存在期间,它的磁场强度是随时间变化的.黑子刚出现时,磁场强度迅速上升到极大值,然后稳定一段时间,随着黑子的瓦解和消失,磁场强度呈线性衰减.黑子群中成对的那两个大黑子具有相反的极性.下一个活动周期中,如果太阳北半球上黑子对中的前导黑子的极性是"北",那么后随黑子就是"南",太阳南半球正与此相反.而到了下一个太阳周,两半球黑子对的极性将颠倒过来,在下一个活动周期中颠倒回去.

根据黑子磁场的极性变化,海耳等人在1919年指出,太阳黑子和太阳活动的真正周期是22年.如何解释上面这些现象和规律,天文学家建立了不少黑子模型,1961年,巴布科克提出的模型受到人们的普遍重视.

巴布科克认为,冻结在太阳等离子中的磁场,只存在于太阳表面下较浅的层次中,磁力线被太阳自转所带动.由于较差自转(太阳不同纬度处的自转周期不同.赤道转得最快,越往两极越慢),使原来位于子午面上的磁力线缠绕起来.太阳内部和表面自转速率不同也会使磁场强度增大,光球下面的对流运动会使加强了的磁通量管扭结成绳子的形状,从而增大了磁力线密度.小尺度湍流使磁绳中出现扭结,致使小区域中的场强变得更大.当场强增大时,磁浮力也增大,磁场上浮涌出表面,形成双极黑子.黑子首先出现于纬度±30°附近的区域,是因为该处磁场的切变率最大.由于太阳内部自转得比表面快些,低纬处的场强增大而高纬处的场强下降,所以发生黑子的区域就移向赤道.这个模型既可说明蝴蝶图、黑子极性的分布、前导黑子的纬度比后随黑子的稍低等事实,又能解释22年周期中极性的反转现象.

一些天文学家认为,这个模型对于解释太阳磁场的所有较新的观测过于简单了,需要加以改进和发展.但另一些人则认为这个模型是不恰当的,太阳的磁场系统并不局限于表面的薄层中,而穿透得比太阳的对流层还深些.

到底实际情形怎样,需要由观测来判断.

日震学研究

为了提炼和修改太阳黑子的形成和演化的理论模式,太阳物理学家必须更多地了解太阳内部的结构和行为.太阳内部究竟是什么样子,我们既看不见,也摸不着.后来人们发现通过对太阳表面脉动的研究,可以推测出太阳内部的情况.这就好像研究地震波能够推测出地层深处的秘密一样.

本世纪60年代,美国天文学家莱顿等人,利用物理学上的多普勒故应,发现太阳大气的上下振动很有规律,其振动的周期是296±3秒,这就是著名的太阳"5分钟振荡"现象.进一步的观测还表明,气体物质上下起伏的总幅度达数十公里,而在水平方向上,大致在0.1~50万公里范围内的气体物质都联成一片,同起同落.并且在任何时刻,日面上都有2/3左右的区域在做这种振荡.

太阳5分钟振荡的发现引起了全世界天文学家的瞩目.相继的大量观测结果表明,太阳像一颗巨大的心脏,正在一缩一张地运动.70年代中,人们开始寻找低频率的太阳振动.1976年,前苏联天文学家发现了太阳的160分钟振荡.许多科学家认为,太阳内部产生振荡的因素可能有三种,即气体压力、重力和磁力.相应的波动则为驻声波、重力波和阿尔文波.有趣的是,这三种波动有时可以两两结合起来,成为磁声波、声重力波和磁重力波.甚至可以三者统统混合起来,形成所谓的"磁声重力波".所有这些波动叠合在一起,就会产生太阳表面振荡的一幅幅错综复杂的图像.

太阳振荡是近年来太阳物理学中最为重大的发现之一,为天文学家开拓出一条通往太阳迷宫深处的新途径.尽管日震学尚处于不成熟阶段,但这一新的学科已经导致了一些重要的发现,成为当代太阳物理学的前沿之一.

前不久,披露太阳内部奥秘的震波图样展示,尽管太阳外层的自转在赤道比在极区快,然而太阳内部的自转却是均匀的,这样就产生了一种剪切力,仿佛剪刀的两个刀刃相互移过一样.有人猜测这种效应会影响磁场,驱动太阳周期.但一些人对此持不同的意见.这一问题的正确答案还要靠日震学的进一步发展.

天文学家期待着日震学能够裁决这样一个新思想:黑子和耀斑可能是由对流所驱动的热物质的圆柱形的流动所引起的.相邻的圆柱,以相反的方向在40万公里深的太阳对流区内旋转,逐渐向赤道移动.一个设想是,像老式洗衣机中的旋轴一样,圆柱挤压磁场,在这一过程中有效地产生黑子.

为连续进行日震学观测,美国自然科学基金会计划拨款给全球振荡网研究所,把环绕世界的6个日震站联系起来.这样一来,就可以整日不间断地进行日震观测了,全面的工作可望从1993年开始.另外,美国宇航局和欧洲空间局计划在90年代太阳活动峰年期间发射的人造卫星,也将投入太阳振荡的测量和研究.

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