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黑子

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太阳光球层上,有一些旋涡状的气流,像是一个浅盘,中间下凹,看起来是黑色的,这些旋涡状气流就是太阳黑子。黑子本身并不黑,之所以看得黑是因为比起光球来,它的温度要低一、二千度,在更加明亮的光球衬托下,它就成为看起来像是没有什么亮光的、暗黑的黑子了。
太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动,黑子是太阳活动中最基本,最明显的活动现象。一般认为,太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡,温度大约为4500摄氏度。因为比太阳的光球层表面温度要低,所以看上去像一些深暗色的斑点。太阳黑子很少单独活动。常常成群出现。
黑子是由本影和半影构成的,本影就是特别黑的部分,半影不太黑,是由许多纤维状纹理组成的,具有旋涡状结构。当大黑子群具有旋涡结构时,就预示着太阳上将有剧烈的变化。人类发现太阳黑子活动已经有几千年了。黑子的活动周期为11.2年。届时会对地球的磁场和各类电子产品和电器产生损害。在开始的4年左右时间里,黑子不断产生,越来越多,活动加剧,在黑子数达到极大的那一年,称为太阳活动峰年。在随后的7年左右时间里,黑子活动逐渐减弱,黑子也越来越少,黑子数极小的那一年,称为太阳活动谷年。国际上规定,从1755年起算的黑子周期为第一周,然后顺序排列。

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特性介绍编辑本段回目录

一个发展完全的黑子由较暗的和周围较亮的部分构成,中间凹陷大约500千米。黑子经常成对或成群出现,其中由两个主要的黑子组成的居多。位于西面的叫做“前导黑子”,位于东面的叫做“后随黑子”。一个小黑子大约有1000千米,而一个大黑子则可达20万千米。

太阳黑子的形成与太阳磁场有密切的关系。但是他到底是如何形成的,天文学家对这个问题还没有找到确切的答案。不过科学家推测,极有可能是强烈的磁场改变了某片黑子区域的物质结构,从而使太阳内部的光和热不能有效地到达表面,形成了这样的“低温区”。黑子越多可能说明太阳越老(近年发现红矮星上黑子占据表面的一半,详见中国<天文爱好者>2005年第三期),可能也是所有恒星寿命的一般特征,黑子可能是太阳核废料(如人类核反应堆的核废料),约11年出现一次可能是黑子在太阳里面和表面的上下翻动一次造成的(如元宵在锅里被煮得上下翻动),黑子温度较低应该也是废料的一个证明(如煤炉中的炭灰在一般情况下不能再产生高温),黑子附近的周边应该比太阳正常的地方温度高一些(此消彼长的原因),黑子向低纬度运动是因为太阳密度小和自转的原因,就像地球上的大陆版块向低纬度运动一样,有黑子的地方存在凹陷500千米可能是温度低而不再膨胀的原因,另外,不是磁场影响了黑子而是黑子影响了磁场,这一点特别重要。

本质概括编辑本段回目录

太阳黑子太阳的表面常常会出现黑色的斑点——黑子。在风沙蔽日或阳光微弱的时候,我们甚至用肉眼也能看见黑子。目前,世界上公认的最早有关黑子的记录,在中国的史书《汉书·五行志》中。
黑子其实并不黑,它的温度在4500摄氏度左右,由于它比周围的高温低了1500摄氏度左右,看起来就呈现为黑色的斑点。黑子其实也不小,小黑子的直径为1000千米左右,大黑子或者是黑子群,直径可达10万千米以上。
黑子实际上是太阳表面上的风暴,是一个巨大的旋涡状气流。

太阳黑子由暗黑的本影和在其周围的半影组成,形状变化很大,最小的黑子直径只有几百公里,没有半影,而最大的黑子直径比地球的直径还大几倍。太阳黑子是由于周围黑子明亮光球背景的反衬才显的暗黑,实际上它们的温度达3800K,比融化的钨还亮热。黑子的重要特性是它们的磁场强度,黑子越大,磁场强度越高,大黑子的磁场强度可达4000高斯。太阳黑子活动呈周期出现,两次极大间的间隔平均为11.2年,叠加有一个为期80年的低幅度的周期。在黑子群周围常出现耀斑,发出的辐射和粒子同地球磁场和电离层相互作用会使地球上的短波无线电通讯中断并出现极光。

人们平常看到的太阳表面,叫做光球,它是太阳大气最下面的一层。一些旋涡状的气流,像是一个浅盘,它的中间凹进去好几百千米。这些旋涡状气流很像大小不等的、形状很不规则的窟窿,很黑很黑,这就是天文学家所说的太阳黑子。黑子本身并不黑,它的温度一般也有四五千摄氏度,但是比起光球来,它的温度要低一,二千度,在更加明亮的光球衬托下,它就成为看起来像是没有什么亮光的、暗黑的黑子了。假设光球上百分之百地覆盖着黑子,太阳仍旧会是相当亮的,只是比现在看到的稍微暗一些罢了。
黑子是由本影和半影构成的,本影就是特别黑的部分,半影不太黑,是由许多纤维状纹理组成的,具有旋涡状结构。当大黑子群具有旋涡结构时,就预示着太阳上将有剧烈的变化。
人类发现太阳黑子活动已经有几千年了。
黑子活动的周期平均是11年。在开始的4年左右时间里,黑子不断产生,越来越多,活动加剧,在黑子数达到极大的那一年,称为太阳活动峰年。在随后的7年左右时间里,黑子活动逐渐减弱,黑子也越来越少,黑子数极小的那一年,称为太阳活动谷年。国际上规定,从1755年起算的黑子周期为第一周,然后顺序排列。1999年开始为第23周。
太阳耀斑:1859年9月1日,两位英国的天文学家分别用高倍望远镜观察太阳。他们同时在一大群形态复杂的黑子群附近,看到了一大片明亮的闪光发射出耀眼的光芒。这片光掠过黑子群,亮度缓慢减弱,直至消失。这就是太阳上最为强烈的活动现象——耀斑。由于这次耀斑特别强大,在白光中也可以见到,所以又叫“白光耀斑”。白光耀斑是极罕见的,它仅仅在太阳活动高峰时才有可能出现。耀斑一般只存在几分钟,个别耀斑能长达几小时。在耀斑出现时要释放大量的能量。一个特大的耀斑释放的总能量高达1026焦耳,相当于100亿颗百万吨级氢弹爆炸的总能量。耀斑是先在日冕低层开始爆发的,后来下降传到色球。用色球望远镜观测到的是后来的耀斑,或称为次级耀斑。
耀斑按面积分为4级,由1级至4级逐渐增强,小于1级的称亚耀斑。耀斑的显著特征是辐射的品种繁多,不仅有可见光,还有射电波、紫外线红外线X射线和伽玛射线。耀斑向外辐射出的大量紫外线、X射线等,到达地球之后,就会严重干扰电离层对电波的吸收和反射作用,使得部分或全部短波无线电波被吸收掉,短波衰弱甚至完全中断。

形态分析编辑本段回目录

太阳光球上经常出没的暗黑斑点,是太阳活动的基本标志。
黑子的观测和形态 
 
关于太阳黑子,中国有世界上最早的观测记录。《淮南子·精神训》有“日中有蹲鸟”的记载。《汉书·五行志》对于公元前28年出现的大黑子记载更详:汉成帝河平元年“三月乙未,日出黄,有黑气大如钱,居日中央”(据考证,“乙未”应为“己未”)。这条记录不仅说明了黑子黑子出现的日期,而且描述了黑子的形状、大小和位置。古代人观察黑子全靠肉眼。1610年开始用望远镜观测黑子。目前常规观测黑子的目视方法:有的在望远镜上装上专门观测太阳用的目镜(赫歇耳目镜);有的利用投影屏把太阳像投影在白纸上。采用太阳照相仪可经常拍摄太阳的像,以便精密测定黑子的面积和它们在日面上的移动状况。此外,还可用光电方法和自动记录仪直接测量黑子相对于邻近光球的亮度和黑子内亮度的分布,用分光仪观测黑子的光谱,用磁场测量装置研究黑子的磁场等等。
在太阳表面,黑子好象一个不规则的洞(图1)。虽然看起来是暗黑的,但这只是明亮的光球反衬的结果。一个大黑子能发出象满月那么多的光。充分发展的黑子是由较暗的核(本影)和围绕它的较亮的部分(半影)构成的,形状象一个浅碟,中间凹陷约500公里。当黑子在日面的东边缘刚刚出现,或在西边缘将要消失时,离日面边缘较远一边的半影宽度比靠近边缘一边的半影宽度缩减得更快些,这就是所谓威尔逊效应。

黑子经常成对或成群出现,复杂的黑子群由几十个大小不等的黑子组成。小黑子的线度约1,000公里,而大黑子的线度可达20万公里。大黑子有复杂的结构,其本影可以有几个,而半影呈旋涡状。有些黑子在分裂之前,出现穿越本影的亮桥。黑子群几乎全部呈椭圆形,其长轴和日面的东西线成一小夹角,随黑子所在的日面纬度的增加略有增大。
在日面上黑子出现的情况不断变化,通常用沃尔夫数(黑子相对数)来表示黑子数随时间的变化。通过对长期观测资料的分析,发现黑子数年平均值的变化周期约为11年,同时黑子在日面纬度的分布也以11年周期作规律性的变化(见太阳黑子周期)。
黑子从开始出现到消失,经历一系列发展阶段。黑子初出现时是一个小黑点,有时逐步发展成为四周密布小黑子的极性相反的两个大黑子,形成黑子群。根据黑子群的发展过程,可以分为几个类型。现在广泛采用的是苏黎世天文台提出的分类法。
黑子的物理状态  
黑子的光谱与光球类似,但由于黑子的温度较低并有很强的磁场,所以在它的光谱中还有分子光谱带和塞曼谱线分裂(见塞曼效应),在它的夫琅和费线中,有一些谱线比光球弱,另一些则比光球强。例如氢巴耳末线减弱,而中性钙CaIλ4227线和电离钙CaⅡ的H、K线却增强了。低电离电位的中性原子谱线在光球中不大出现,而在黑子中却可以看到,如锂、铷和铟的一些谱线。1909年发现半影夫琅和费线有一定的位移,使谱线轮廓出现不对称。经过测算,这种位移相当于每秒1~3公里的径向速度。因此认为在黑子(主要在半影)里有物质沿着径向运动,在下层有物质流出,而在上层则流入,即所谓埃费希德效应。在黑子中热能的转移与光球一样,主要是依靠辐射来实现的。通过测量黑子的总辐射强度I(θ,0)0与宁静光球的相应值I(θ,0)P,根据斯忒藩定律可算出黑子的有效温度(TE)s

黑子

式中θ为总辐射强度与法线所成的角度,0表示光球边界的光学厚度,(TEP为光球的有效温度。当取(TEP为6,050K时,本影的有效温度约为4,240K,而半影则为5,680K。此外,还可利用生长曲线方法来确定黑子的激发温度,当取光球的激发温度为5,040K时,黑子的激发温度只有3,900K。
黑子和光球都处于局部热动平衡状态,利用萨哈公式生长曲线方法可求出黑子的电子压力约为光球内的1/40~1/25,即约为0.64达因/厘米2,黑子内总压力约8×104达因/厘米2

黑子的模型,即温度和压力等物理参数随深度的变化,可采用与求光球模型的类似方法得出。表列出的是综合不同学者所得结果的平滑本影模型,其中τ5000表示对应于波长 5000埃的光学厚度,Pe为电子压力,Pg为总压力(二者单位均为达因/厘米2),T为温度(K)。

黑子的磁场和精细结构  
1908年,海耳等首先根据光谱线的塞曼效应对黑子的磁场进黑子行测量。由于在磁场中谱线的裂距Δλ与磁场强度H成正比,因此通过测量Δλ,利用塞曼公式便可求出磁场强度(见太阳磁场)。测量结果表明,黑子的磁场强度与其面积有关,小黑子的磁场强度约1,000高斯,而大黑子可达3,000~4,000高斯,甚至更高。
  
黑子磁场不是均匀的,其强度由中心向边缘减小。对于一个单极黑子,磁场的分布大致为:        H(r)=H(0)(1+r2)2
式中H(0)为黑子中心场强,H(r)为离黑子中心r(以黑子半径为单位)处的场强。在本影中心,磁力线走向大致沿着太阳半径的方向,而在本影边缘,磁力线与径向成一倾角,到了半影边缘磁力线大致与太阳表面平行。
  
黑子的磁场有极性,成对出现的黑子具有相反的磁极,磁力线从一个黑子表面出来,又进入另一黑子(图2)。黑子的磁场不是稳定的,它随时间而变化,这种变化对于太阳活动区的许多不稳定过程起着重要的作用。黑子磁场的强度变化大致有三种:①普通的,每小时改变0.4~18高斯;②快速的,每小时改变18~180高斯;③特快的,每小时变化超过180高斯。在太阳耀斑出现前后,曾观测到黑子的磁通量的巨大变化。例如1959年7月16日质子耀斑发生前后,发现在活动中心整个强大的本影场强减少了 2/3。又如1966年7月7日质子耀斑发生前夕,活动区的磁能(H2/8π)从 7月4.3日的(1~2)×1032尔格增至7月6.4日的20×1032尔格,而在同一时间里纵向场梯度从0.1高斯/公里增至1.0高斯/公里;在耀斑之后,磁场恢复到7月4日的数值。

近年来对黑子进行高分辨率观测,发现黑子内存在精细结构。首先表现为黑子内磁力线随深度有很强的扭转和旋涡结构。其次是在暗黑的本影里观测到异常的活动,即存在本影点,其亮度与光球差不多,直径约200公里,寿命约25~60分钟。目前关于本影点的性质仍不很清楚,可能是磁流体力学波能流通过本影时发生的现象。在本影里还观测到另一种活动现象,即本影闪耀。用CaⅡ的H、K线单色光观测,本影闪耀是一种小而亮的移动结,寿命只有50秒,直径达到2,000公里,以平均每秒40公里的速度向半影移动。目前认为它们是由本影较低层向上传播的磁声波所产生。所有这些事实说明,用一个散开的磁力线“束”来表示黑子磁场结构的简单模型已不大符合新的观测结果。
黑子的本质  
对于黑子的本质,目前还没有肯定性的结论。关于黑子的变暗有两种不同的看法。早在1941年比尔曼就首先提出: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。1974年帕克提出的另一种看法是:黑子的变冷是由于非辐射能量传输的增强,把黑子中能量大量转移到黑子之外所造成的。
  
关于黑子的形成问题,1961年H.W.巴布科克作出如下解释:在光球下面0.05太阳半径内有一个偶极场,这个磁场冻结在太阳物质中,因而磁力线被太阳自转所带动。由于较差自转,磁力线慢慢缠绕太阳本体,这时局部的不规则性(如气体湍流)可造成磁力线管扭转现象,这样磁力线管的磁通量密度可达几千高斯的数值。当磁压达到或超过周围气压时,磁力线管就获得磁浮力并上升到表面,以拱状浮现出来,形成可见的黑子。

对地球的影响编辑本段回目录

太阳是地球上光和热的源泉,它的一举一动,都会对地球产生各种各样的影响。黑子既然是太阳上物质的一种激烈的活动现象,所以对地球的影响很明显。
当太阳上有大群黑子出现的时候,地球上的指南针会乱抖动,不能正确地指示方向;平时很善于识别方向的信鸽会迷路;无线电通讯也会受到严重阻碍,甚至会突然中断一段时间,这些反常现象将会对飞机、轮船和人造卫星黑子的安全航行、还有电视传真等等方面造成很大的威胁。
黑子还会引起地球上气候的变化。100多年以前,一位瑞士的天文学家就发现,黑子多的时候地球上气候干燥,农业丰收;黑子少的时候气候潮湿,暴雨成灾。中国的著名科学家竺可桢也研究出来,凡是中国古代书上对黑子记载得多的世纪,也是中国范围内特别寒冷的冬天出现得多的世纪。还有人统计了一些地区降雨量的变化情况,发现这种变化也是每过11年重复一遍,很可能也跟黑子数目的增减有关系。

研究地震的科学工作者发现,太阳黑子数目增多的时候,地球上的地震也多。地震次数的多少,也有大约11年左右的周期性。

植物学家也发现,树木的生长情况也随太阳活动的11年周期而变化。黑子多的年份树木生长得快;黑子少的年份就生长得慢。

更有趣的是,黑子数目的变化甚至还会影响到我们的身体,人体血液中白血球数目的变化也有11年的周期性。

人在太阳黑子活动高峰期为什么容易患病?
我们知道,太阳表面温度是不一样的,有的地方温度高,有的地方温度低。当太阳中心区域的温度比周围区域低1500°左右时,这个区域看上去就比周围区域暗,如同一个光亮的圆面上出现斑斑点点的黑色斑点,人们就称它为“太阳黑子”
太阳黑子的数量有时多,有时少,其变化是很有规律的,一般每11年为一个周期。据记载,在1173~1976年的803年间,流行行大感冒发生过56次,且都出现在太阳黑子活动极大的年份。太阳黑子活动高峰时,心肌梗死的病人数量也激剧增加。
为什么太阳黑子活动高峰时,患病人数会增加呢?原来黑子活动高峰时,太阳会发射出大量的高能粒子流与X射线,并引起地球磁暴现象。它们破坏地球上空的大气层,使气候出现异常,致使地球上的微生物大量繁殖,为疾病流行创造了条件。另一个方面,太阳黑子频繁活动会引起生物体内物质发生强烈电离。例如紫外线剧增,会引起感冒病毒细胞中遗传因子变异,并发生突变性的遗传,产生一种感染力很强而人体对它却有免疫力的亚型流感病毒。这种病毒一但通过空气或水等媒介传播开去,就会酿成来势凶猛的流行性感冒。
科学家们还发现,在太阳黑子活动极大的年份里,致病细菌的毒性会加剧,它们进入了体后能直接影响人体的生理、生化过程,也影响病程。所以,当黑子数量达高峰期时,要及早预防疾病的大流行。

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