太阳活动

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  太阳活动汉语拼音:tɑiyɑnɡ huodonɡ;英语:solar activity),发生在太阳大气中局部区域且时间短暂的偶发性事件。如在太阳的低层大气中,出现成群的太阳黑子光斑,高层大气中出现的日珥谱斑日冕凝块,有时还发生太阳耀斑日冕物质抛射现象。黑子是日面上的暗黑斑块,本质上是太阳表面的局部强磁场区(磁场强度为几千高斯),但其温度较周围低,显得暗黑。光斑是光球层的高温区,显得明亮。日珥是突出于太阳表面的火焰状物。谱斑是色球层的高温区。日冕凝块是日冕中的高密度区。耀斑则是太阳大气中大规模的能量突然释放现象,也就是太阳爆发,是最剧烈的太阳活动。日冕物质抛射也是一种很剧烈的太阳活动现象。特别是太阳耀斑和日冕物质抛射,由于发射出强烈的太阳X射线和紫外辐射及各种能量的带电粒子(主要是质子电子),将会严重干扰地球磁场电离层的正常状态,甚至影响到地球的低空大气,从而影响到人类的航天活动、无线电通信、导航、物理探矿、电力系统,以及气象和水文等诸多领域。因此,探讨太阳活动的规律并设法对其进行预报,具有实际应用价值。

  观测发现,上述各种太阳活动现象倾向于发生在太阳大气中以黑子为中心的局部区域,称为太阳活动区。一般,当太阳上出现的黑子群和黑子较多时,其他各种太阳活动也增多。就是说可用黑子群和黑子多寡来代表太阳活动的平均水平。1848年瑞士天文学家R.J.沃尔夫提出用黑子相对数表示每天的太阳活动强度。黑子相对数定义为r=10g+f,式中g和f分别为当天日面上黑子群和黑子的数目。长期观测发现,太阳黑子相对数r的年平均值R具有11年左右的周期性变化。R变化曲线极大点所在年份意味着太阳活动频繁和强烈,称为太阳活动极大年;极小点的年份,称太阳活动极小年。相邻两个极小年间的时段称为一个太阳活动周。规定以1755年(极小年)开始为太阳活动第一周,2005年正处在从1996年开始的太阳活动第23周,极大年在2000年附近。

  在一个太阳活动周中,与黑子相对数由极小至极大再变为极小的同时,出现黑子的日面纬度也发生变化。活动周开始时,南北两半球的黑子分别出现在±30°附近,随后出现黑子的纬度变小,极大年附近约为±15°,活动周结束时平均纬度约为±8°。而且,每一活动周的末尾,新周的黑子又开始在±30°附近出现,形成在一年左右的时间里,旧周黑子在低纬和新周黑子在高纬同时出现的局面。这种日面黑子纬度随太阳活动周进程变化的规律称为斯玻勒定律。如果以时间为横轴和黑子纬度为纵轴作图,将会得到一串蝴蝶形的图样,称为蒙德蝴蝶图。

  用望远镜观测太阳黑子只有300多年,但中国史书上公元前43年至公元1638年就有112次肉眼目视黑子的记录。极光是太阳活动产生的高能粒子流轰击并激发地球大气原子和分子而造成的发光现象,因此地球上每年发生极光的次数也间接反映了太阳活动的水平。利用这些珍贵的目视黑子记录和全世界记录到的极光频数,可推测近2,000年来的太阳活动变化。此外,通过测定古树年轮中放射性同位素碳–14含量也可推测出近7,500年来太阳活动的大致情况。这些研究表明,除了明显的11年周期外,太阳活动似乎还存在平均长度为80多年的周期和200年的双世纪周期。同时,7,500年来的太阳活动并非平稳变化,而是经历了尚看不出规律性的一系列极大期和极小期。现在太阳活动正处在约从1,800年开始的“现代极大期”。而离此最近的是1460~1550年间的“斯玻勒极小期”和1645~1715年间的“蒙德极小期”,以及1110~1260年间的“中世纪极大期”。这些超长期的太阳活动变化情况大致得到古气候资料的证实。

  宏观上稳定的太阳为何会出现太阳活动现象一直是当前重点研究的课题。一般认为,太阳活动是起源于太阳内部的原有弱磁场与太阳自转相互作用的结果。太阳的自转赤道区较快,两极区较慢,称为较差自转。理论研究表明,正是这种较差自转能够把太阳内部的微弱磁场拉伸放大,形成管状的强磁场,称为磁流管。磁流管具有磁浮力,会逐渐向太阳表面升浮。当这些磁流管升浮到太阳表面时,与太阳表面碰撞并拱出表面,在那里形成局部强磁场区,这就是太阳黑子。而光斑、谱斑、日珥、耀斑和日冕物质抛射等其他太阳活动现象,则是黑子区的强磁场与太阳等离子体相互作用的结果。太阳活动具有11年左右的周期,也可用太阳发电机理论予以解释。