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超米粒组织

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(图)超米粒组织
超米粒组织
太阳光球大尺度水平运动所导致的流场结构。在显示光球大尺度运动的高分辨率的照片上可以清晰地看到有上千个比米粒组织大得多的超米粒元组成规则的蜂窝状结构,因而得名。超米粒元通常简称为超米粒。光球米粒组织是光球亮度场不均匀性的表徵,超米粒组织则是光球速度场不均匀性的表徵。

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(图)超米粒组织
超米粒组织多普勒影像
太阳光球大尺度水平运动所导致的流场结构。在显示光球大尺度运动的高分辨率的照片上可以清晰地看到有上千个比米粒组织大得多的超米粒元组成规则的蜂窝状结构,因而得名。超米粒元通常简称为超米粒。光球米粒组织是光球亮度场不均匀性的表徵,超米粒组织则是光球速度场不均匀性的表徵。

超米粒组织是哈特在1954年发现的。她在测定太阳自转速度时,发现光球上层存在一种大尺度水平方向的运动,1960年,莱顿以独特的单色分光照相技术开始“拍摄”宁静太阳光球的速度场,他和他的合作者对超米粒元的平均大小﹑寿命﹑水平速度等取得一系列重要研究结果,使得太阳光球上层水平运动的存在和意义真正为人们所了解。1970年,弗雷泽用多通道的太阳磁像仪对超米粒元进行了较全面的研究,特别在垂直速度以及超米粒组织﹑光球网络﹑色球网络之间的相关性等方面取得出色的成果。1973年天空实验室发射成功,对超米粒的空间观测也随之开始。

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(图)超米粒组织
太阳构造示意图
单个超米粒的实际直径约为20000~60000公里。整个可见的宁静太阳半球总是保持大约2500个超米粒,由此可以推算出超米粒的平均实际直径约为35000公里,实测结果约为30000公里,这与从自相关分析得到的K线网络元的平均大小(约33000公里)基本相符。超米粒的寿命短的是几小时,一般为20~40小时,平均约24小时或更长,同K线网络元的平均寿命大致相当。

根据多普勒频移测量任何一个超米粒的气体流动所获得的样式都是相同的。极区的和赤道区的超米粒之间也没有显著差异,在超米粒中心区域,气体以每秒约0.04公里的平均速度缓慢地上浮,随后便以每秒0.3~0.5公里的平均速度从中心区域向四周边缘流去,到了边缘才以每秒约0.09公里的平均速度下沉,这比中心区域上浮的平均速度大一倍。在超米粒中心区域和边缘存在垂直速度证实超米粒是由对流引起的。对超米粒进行的磁场观测表明:超米粒表面的纵向磁场强度约为2高斯,而在几个超米粒边缘的会合区域,纵向磁场的平均强度达50高斯左右,超米粒两侧边缘各处的磁场极性可以不同,但总有一种极性占优势。

一度把超米粒组织看作是单纯的光球现象。但是观测表明:超米粒组织与光球大尺度磁场﹑光球网络﹑色球网络的关系都很密切。这不仅表现在超米粒中心区域的气体上升运动和边缘处的气体下降运动都至少渗透到色球下层(当然,相应的速度是下降了),而且,根据多通道太阳磁像仪的观测,下降气流与磁斑﹑网络亮点之间存在著很好的对应关系。超米粒边缘处的下降运动呈现为一束束孤立的﹑直径约为 7000~10000公里的下降气流,而超米粒边缘的磁场强度可高达100高斯),二者在位置﹑大小﹑形态上有很好的对应关系,在数值上,即磁斑的磁场强度和下降气流的速度也是线性相关的。不仅如此,磁斑和下降气流同色球网络﹑光球网络的亮点(即温度增高较大的区域)在位置﹑大小﹑形态上也有很好的对应关系。而且,磁斑的强度和下降气流速度同亮点的亮度在数值上也是线性相关的。根据实测证明,在超米粒组织﹑光球大尺度磁场﹑光球网络﹑色球网络之间也同样存在上述的密切对应关系。多通道太阳磁像仪对一小块宁静太阳区域以24×24的扫描孔径和0.25秒的累积时间进行扫描而取得的图像,图上的曲线是对20个超米粒取平均的结果,给出单个超米粒截面上的速度分布﹑光球纵向磁场分布以及同它对应的光球网络元﹑K线色球网络元的亮度分布。

(图)超米粒组织
超米粒组织
上述的观测事实曾经被解释为:流体压力大于磁压力时,等离子体运动决定了磁场结构,于是,超米粒中心区域向四周边缘的水平运动将磁力线集中到边缘处,而几个超米粒边缘相会合的区域便是等离子体向下流动汇聚得最为急剧的地方,在此形成下降气流,同时,这里也是磁力线最为集中的地方,因而形成磁斑。密集的磁力线向上贯穿﹑伸延,所经过的光球﹑色球区域因磁场产生的过量加热使局部温度升高而成为网络亮点,于是出现光球网络和色球网络。磁力线进入色球后,由于气体密度的急速下降,磁压力磁力线发散,而磁场结构又确定了等离子体的运动,因此随著高度的逐渐增高,网络的粗糙程度也逐渐增大。这样的理解描述出了一幅简明的动力学图像。然而,近来用磁像仪对超米粒边缘进行观测,所得结果对上述解释的关键之处不利:在边缘会合处,常见的是磁斑分裂并且其中的一部分以小于每秒1公里的速度向外移动,移动距离还不到5000公里时便逐渐消失;也观测到新的磁流点浮现并以每秒1~2公里的速度快速移动。因此,会合处的磁斑究竟如何形成,有待进一步研究。

根据超米粒的线度和寿命,一般认为超米粒是由比形成米粒粗大得多的长寿命的对流元产生的。据估计,超米粒的底部位于光球下太阳对流层中7000~10,000公里的深处。有人将超米粒的起源归因于光球深处的对流不稳定性﹐这种不稳定性与一次电离氦和二次电离氦有关。也有人认为超米粒组织的流场结构本身就是在对流层深处发生的磁场对流运动相互作用的反映。


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