Astronomy 版 (精华区)

发信人: Gforce ()第三个代表(), 信区: Astronomy
标  题: 太阳活动及日地关系
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Jan 31 20:58:11 2005), 转信

中国科学院国家天文台 张挂清

太阳 — 人们肉眼里的一颗最亮的恒星。由于它的存在，其它的恒星都没有了光泽。不管它本质上是否最亮最大，对我们地球人来说，它是一颗最重要的恒星。因为它给我们送来了光明和温暖，它使小小的地球成为生机勃勃的星体。然而，太阳有时也会肆虐成灾。不信？下面以例为证。
1989年3月日面上出现了一个特大太阳黑子群，它的面积相当30到40个地球的表面积。此黑子群发生的几十个强烈耀斑活动引起过39次强烈短波通讯突然骚扰，15次通讯部分中断，24次全部中断。导致的强太阳质子事件引起强烈地磁暴。这次强日地活动使加拿大魁北克省的大部分地区停电达9小时以上，600 万居民受到影响，使魁北克省电力公司损失19400兆瓦的电力。1991年3月22日又一个大太阳黑子群发生的几十个大太阳耀斑引起29次强烈短波通讯突然骚扰，11次通讯部分中断，18次全部中断，导致了第22太阳周最强烈的太阳质子事件。由于带电粒子的轰击，日本主要广播卫星的太阳能电池板被损坏。此期间，欧洲海事通讯卫星 MARECS－A由于太阳高能带电粒子使其表面带电引起的局地弧光放电损坏了太阳能电池，使它的输出功率降到不能使用的水平而退出服务。
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图1. 2002年4月21日早晨8点43分开始的一次太阳大爆发。(a)： 4月15日太阳黑子群
位于日面中心附近的照片，(b)：色球耀斑和耀斑环，(c)：SOHO卫星用304?波段观测
的该耀斑，(d)：SOHO卫星观测的与此耀斑相伴的日冕物质抛射。

到了20世纪90年代中﹑末期，信息和网络的得到迅猛发展。移动电话的使用方便了人们的生活。然而，1998年5月的一次太阳爆发扰乱了人们的生活。这次爆发产生的强带电粒子流到达近地空间，危及到美国的银河—4卫星，使它不能正常工作，因而使美国3500万台寻呼机失灵，部分电视信号中断，使商业和传谋机构的联络中断。这是人类首次在地面亲身体验，航天系统受到太阳强带电粒子流轰击受损，给生活带来的麻烦。2002年4月21日，北京时间早晨8点43分，在日面西南边缘爆发了一个大耀斑和日冕物质抛射。这次事件使我国各地的电离层及高频通讯受到很大干扰。兰州地区的高频无线电信号几乎全部被吸收，广州到新乡等地的高频通讯也几乎全部中断。图1给出了这次太阳爆发的图象。由以上可知，科学家为什么越来越关心太阳活动和日地空间环境。

太阳纵观
太阳是一个巨大的气体球，主要成分是氢和氦。它的质量为1.99 × 1030kg,核心温度约为1.5×107K, 表面（光球）温度约为60000 K，日冕温度1×106K。太阳从核心到外部可分为：日心、辐射区、对流区。太阳大气从里到外可分为：光球层、色球层和日冕层（图 2）。太阳上的活动现象分为缓变型和爆发型。缓变型太阳活动包括太阳黑子兴衰、谱斑的增减、冕洞的生消（图 2）、与之有关的紫外辐射的强度变化等。爆发型太阳活动包括耀斑、暗条/日珥爆发（图2）和日冕物质抛射（图3）等。
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图 2.太阳结构及活动现象 图 3. 2000年11月8日SOHO卫星观测的日冕物质抛射

20 世纪50年代末以前，人类只能用地面望远镜观测太阳。用地面太阳光球望远镜可以观测太阳的光球层，在这一层我们可以观测到太阳黑子群。在太阳黑子群周围有亮区域，人们形象地把它叫做光斑。用地面色球望远镜可以观测到太阳光球层外面的一个层次，叫色球层。它看上去象一个玫瑰红色的球，上面有一块块的亮区域，科学家给它起个名字叫谱斑。一般大块的亮谱斑位于太阳黑子群的正上方，有时这些谱斑会突然增亮,很耀眼，所以就称它耀斑。在色球层，还会观测到一块块的暗区域（大多呈不规则的带状，也有环状、浮云状、拱桥状等），顾名思义就叫暗条。当暗条在日面东/西边缘时，就叫日珥。有时暗条/日珥受到某种扰动，会突然断裂消失，我们称之为暗条/日珥爆发。第二次世界大战以后，太阳射电天文学得以发展，天文学家开始用太阳射电望远镜观测太阳，所用波长从可见光向长波方向延伸，从毫米波直到米波段。二十世纪五十年代末，随着空间科学技术的发展和进步，卫星升空，从而空间天文的观测和研究也得以实现。天文学家开始用空间太阳望远镜观测太阳，所用波段又从可见光向短波方向延伸一直到小于0.01埃，从而发现了许多重要、惊人的太阳活动现象。
从此，耀斑的概念也从早期的色球耀斑被广义化。一般情况下，当太阳色球层有大耀斑发生时（可见光范围内），在其它波段也有反映。小于0.01埃的太阳辐射突然增强叫γ射线爆发(或耀斑)，0.01到1埃范围内的太阳辐射突然增强叫硬X射线爆发(或耀斑)。在1到10埃范围内的软X射线辐射突然增强叫软X射线爆发(或耀斑)。从毫米波到米波段的太阳辐射叫太阳射电辐射。相应，从毫米波到米波段的太阳辐射突然增强叫太阳射电爆发。另外，用空间太阳日冕仪（放在 “太阳日球观测平台上”，简称SOHO卫星）发现了精美的日冕环（图 4）和比色球耀斑爆发还壮观的日冕物质抛射（缩写称CME，图3）。它是尺度最大、最壮观的太阳爆发现象。太阳的紫外辐射也是在望远镜升空以后才得到了精确观测，因为紫外辐射的主要部分被地球大气中的臭氧、氧和氮等分子吸收。太阳的紫外辐射强度的变化与太阳活动的强弱变化密切相关。当黑子群增加时，太阳的辐射也增强。
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图 4. 2001年3月21日SOHO卫星观测的精美日冕环

太阳活动的周期变化
常人们所说的太阳周期变化，一般是指11年、22年或更长的太阳活动周期变化。20世纪中叶以后，随着观测技术的进步，科学家开始研究以天为时间尺度的周期变化。太阳活动变化周期的长短本没有严格的界定。为了叙述清楚，我们把11年和更长的周期变化称为长太阳活动周期，把以天为时间尺度的周期变化称为短太阳活动周期。

太阳活动的长期变化
在我国，公元前八百年已经对太阳黑子有明确的记录，也是世界上最早的太阳黑子记录。在西方，1612年，伽里略宣布经用望远镜“反复的观测”，最后使他相信，“这些黑子是日面上的东西，它们在那里不断的产生，也在那里瓦解，时间有长有短”。德国的施瓦贝（Heinrich Schwabc）坚持多年观测太阳黑子数。在1844年宣布他发现黑子数目有约10年的周期。从用肉眼观测太阳黑子到用望远镜观测，标志着人类对太阳的观测从原始走向科学。从此，人们对太阳活动及其规律越来越感兴趣。瑞士苏黎世天文台台长沃尔夫（Rudolf Wolf）于1848年用观测和外推的1700年到1848年的太阳黑子数较精确地研究了太阳黑子数的周期。他证实了施瓦贝的结果，并计算出较准确的周期长度为11.1年。到了20世纪初，人类发现太阳黑子是磁性的。海尔（Hale）和尼克逊(Nichlson)在1908年和1925年指出，在两个大黑子为主的黑子群中，两个黑子的磁极性相反；在太阳黑子数达到极小时，其磁极性发生反转；待到下一个黑子极小时，其磁极性又恢复过来。也就是说，双极黑子群的磁极性约需22年的时间完成一次周期变化。这就是我们现在常说的太阳活动22年周期。
到了20世纪70、80年代，科学家分析研究表明，太阳黑子活动有约100年、200年和400年的周期。但这些周期都不明显。一些科学家用功率谱和极大熵谱方法对太阳黑子相对数作谱分析，确定它的11年和90年（约100年）的周期最明显。
20世纪70年代，有人利用古极光和树轮碳14(C14)等资料，分析得到太阳黑子活动曾有过三次明显的非周期性变化。一次持久性极大期，发生在1100 年到1250年。两次持久性极小期分别发生在1460年到1550年和1645年到1715年。后一个持久性极小期由英国天文学家蒙德先发现，所以又称为 “蒙德极小期”。这是一个非常明显的太阳活动影响地球的例子。蒙德的研究证明，公元1645年到1715年间，太阳上很少有黑子。我国历史学家的考证证明，这个时期是人类有史以来最冷的时期，被称作“小冰河期”。我国的地震学家也证明，这个时期是华北大地震最多的时期。这是人类历史上太阳活动影响地球气候和环境的最明显证据之一。
以上太阳黑子的周期变化代表了缓变型太阳活动的变化。太阳黑子为什么有周期变化现在还没有好的理论解释。
除了太阳黑子数有周期变化外，爆发型太阳活动也有周期变化。象太阳耀斑爆发数和爆发强度、日冕物质抛射数和抛射强度也随太阳黑子数有11年的周期变化。当太阳黑子数最少时，耀斑和日冕物质抛射也最少；当太阳黑子数最多时，耀斑和日冕物质抛射也相对的多。就是说，耀斑和日冕物质抛射的极小年与太阳黑子数的极小年是一致的。而它们极大年一般比太阳黑子极大年迟一到二年。这是显而易见的，因为太阳耀斑多产生于大的太阳黑子群，绝大多数日冕物质抛射也与太阳黑子有关，太阳黑子数达到极大值后，虽然黑子数有所下降，但大黑子群相对更多些，所以爆发型太阳活动的极大年相对推迟一些。

太阳活动的短期变化
我们知道，太阳自转周期平均约为27天。经过不少太阳物理学家分析研究得知，强太阳活动区有集聚的趋势。它们趋于集中在某些特殊的经度带，所以不论缓变型太阳活动还是爆发型太阳活动都显示出约27天的周期变化。
20世纪70年代中期，我国太阳物理学家分析了多年的太阳质子耀斑资料，得出了太阳质子耀斑有80天的周期变化。20世纪80年代，又有许多科学家用各种太阳爆发的观测资料分析研究表明，除了80天周期外，太阳活动还有154天左右的周期。它与80天周期近乎倍频关系。另外,20世纪90年代，我国有学者用频谱分析单个太阳活动区的演化和爆发周期，发现了以小时计的周期。他们指出，太阳黑子面积有24.3天的周期变化,X射线爆发有12.2的周期变化，并作了简单的理论探讨。这个结果对耀斑的短期预报有参考价值。
值得一提的是，以上所提及的周期并不是数学上的严格周期，而只是一种统计的平均周期或称准周期。

日地关系的研究、进展和难题
随着航天技术和无线通讯技术的发展，人们意识到空间环境状态的变化影响和制约着这些技术的实验和实施。而空间环境扰动的驱使源是太阳：太阳的X射线爆发会引起地球电离层突然骚扰，因而影响甚至中断短波无线电通讯，而且对长波通讯也有影响；太阳爆发发射的强高能带电粒子流到达地球附近时，会引起近地空间（卫星轨道附近）的强烈扰动，威胁人造卫星，卫星上的仪器、器件以及宇航员的生命，也会引起地磁扰动。太阳活动的长期变化也影响着地球。目前大量航天器的使用给各国的政治、经济、军事带来极大的经济和社会效益。所以，经济实力较强的国家政府都非常关注空间环境。
随着人类越来越重视太阳对地球的影响，太阳物理学者的研究方向早已开始向太阳物理、地球物理和空间物理的交叉学科 — 日地物理 — 延伸。
20世纪50年代以来，随着人类进入空间和计算机时代，对日地关系的研究可以说有了质的飞跃。日地关系研究的国际合作也相继开始。20世纪50年代末和 60年代，国际上相继组织了两次大规模的日地物理现象的观测和研究。一次是1957年到1958年，被称为国际地球物理年计划〔IGY〕。另一次是 1964年的国际宁静太阳年（IQSY〕。
从1960年，美国首先发射了太阳和日地空间探测器。相继，欧洲和日本相随。20世纪60年代初到70年代初，美国发射的十颗“探险者”卫星，组成行星际监测站（IMP1到IMP10）。借助这些空间探测器，人们惊奇的发现了起源于太阳的行星际扇型磁场结构、太阳风和地球磁层等重要物理现象。原来想象中广漠空寂的日地空间，充满着各种复杂的物理过程（图5）。从行星际扇型磁场结构的边界随太阳自转而不断扫过地球，使科学家认识到日地间的磁场联系。后来又相继发射了多颗日地空间探测器，如1972年和1974年西德和美国合作发射的两颗“太阳神” 探测器，1977年美、欧合作发射的“国际日地探险者”和1979年美国空军发射的“太阳风”卫星等。同时，还发射大量监测太阳辐射及其爆发的卫星。如1960年美国海军发射的Solrad(太阳辐射)卫星，美国宇航局和海洋大气局自1975年发射的地球同步轨道环境卫星系列（GEOS，至今还在工作），1991年日本发射的的“阳光”卫星和美国90年代发射的SOHO卫星（太阳日球观测平台）等。这些卫星为我们提供了大量的太阳紫外线、X射线、γ射线、太阳活动长期和短期变化、太阳质子通量以及地球磁层状态的观测资料，使我们的太阳物理和日地空间物理观测和研究取得了前所未有的进展。
我们从空间观测资料发现环/弧状结构是太阳大气中宁静区和活动区的基本结构（图4），也是太阳爆发的基本结构。这就给太阳爆发的理论研究及太阳活动引起的空间状态扰动的理论研究提供了基础和方向。冕洞的空间观测使我们发现了冕洞及其磁场随太阳刚性旋转，认证出冕洞是高速太阳风之源。由此而解释了重现地磁暴发生的原因。

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图 5. 太阳活动对地球影响的示意图。(a)太阳表面，(b) 来自太阳的物质抛射，(c)太阳风、磁场的走向，(d) 地球磁层顶，(e) 以磁力线形式表示的地球磁场，(f) 小小地球。

由于日地物理界从空间观测发现了起源于太阳的行星际扇型磁场结构扫过地球，是许多气象学家开始探索地球气象要素与行星际扇型磁场结构的关系。他们发现，当磁结构的扇型边界扫过地球时，对气压有系统影响等。因此，行星际扇型磁场结构的发现是太阳活动对气象的影响的研究，从以11年或更长时间尺度的长期关系，延伸到以天为时间尺度的短期关系。这也是一个明显的进展。
各种空间探测器观测的大量太阳、行星际空间和近地空间状态资料，使理论工作者的理论研究和数值模拟研究取得了明显进展。
在大力发展空间观测的同时，地面观测条件的改进和进步也是领人瞩目的，特别是我们中国科学院国家天文台和美国大熊湖天文台的高精度太阳磁场望远镜的出现，使太阳物理工作者利用地面和空间观测资料，在太阳活动区演化、耀斑储能机制和爆发方面的研究取得了长足进步，这为深入研究太阳活动所导致的行星际扰动和地球环境扰动创造了条件。
虽然过去几十年不论地面观测、空间观测和理论研究都取得了进步，还有许多课题待作，特别是向纵深发展的理论课题。
首先，最基本的问题就是太阳黑子形成的理论还没有满意的解决，是今后要继续开展的重大课题。虽然，现在可以确认耀斑爆发能量由活动区的强磁场转换而来，但是，能量的储存和释放的机制还还没有完全解决。日冕物质抛射以及上层大尺度日冕磁结构的演化物理机制正引起太阳物理学界以及日地空间界的极大研究兴趣。冕洞的产生、发展及持续性和磁结构也待继续研究。从太阳日冕到行星际空间，首要的问题就是行星际传播条件还远远没被认识，是个大难题，是太阳活动影响地球的关键一环。从行星际空间到近地空间，当太阳爆发引起的行星际扰动传到地球磁层顶后，是如何把能量通过边界传入磁层，而后又如何向下作用于电离层，这是磁层物理所需进一步解决的问题。太阳活动预报和空间环境预报百分之百的成功完全依附于上述问题的解决。在上述问题没解决之前，太阳活动预报和空间环境预报方法只能依赖于太阳活动的先兆和统计经验方法。
太阳活动和日地空间环境神秘末测，欢迎有志者参与到探求奥秘的队伍中来。
注意，出了图1(a)和(b)外，均是用非可见光拍摄的图片。非可见光是我们肉眼感觉不到的，所以图片颜色非原有颜色。
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To see a world in a grain of sand,
And a heaven in a wild flower,
Hold infinity in the palm of your hand,
And eternity in an hour.

 


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