15.2: 太阳周期
- Page ID
- 203182
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述黑子周期，更笼统地说，描述太阳周期
- 解释磁学是如何成为太阳活动的来源
在望远镜发明之前，人们认为太阳是一个不变的完美球体。 我们现在知道太阳处于永久的变化状态：它的表面是一个沸腾、冒泡的热气大锅。 比表面其余部分更暗更凉爽的区域来来去去。 大量气体喷发到染色圈和日冕。 偶尔，太阳上甚至会有巨大的爆炸，将大量的带电粒子和能量传送到地球。 当它们到达时，它们可能会导致停电和其他对我们星球的严重影响。
太阳黑子
太阳变化的第一个证据来自对黑子的研究，黑子是由于磁活动增加而在太阳表面看到的大型深色特征。 它们看起来更暗是因为这些斑点的温度通常在 3800 K 左右，而它们周围的明亮区域大约为 5800 K（图\(\PageIndex{1}\)）。 偶尔，这些斑点足够大，肉眼可以看见，而且我们有观察者记录了一千多年前，他们在雾霾或雾气降低了太阳的强度时注意到了它们。 （我们强调你的父母肯定告诉你的话：即使短暂地看太阳，也会造成永久的眼睛伤害。 这是天文学的一个领域，我们不鼓励你在没有得到教师的仔细指示或过滤器的情况下自己进行观测。）
虽然我们知道黑子看起来更暗是因为它们更凉爽，但它们比许多恒星的表面更热。 如果它们能从太阳上移开，它们就会发出明亮的光芒。 它们只有与周围更热、更亮的光圈形成鲜明对比才显得很暗。
单个黑子来来去去，其寿命从几个小时到几个月不等。 如果一个斑点持续并发展，它通常由两部分组成：内部较暗的核心，即本影和周围较暗的区域，即半影。 许多点变得比地球大得多，还有一些点，例如图中所示的最大点\(\PageIndex{1}\)，直径已超过14万千米。 斑点通常以 2 到 20 人或更多为一组出现。 最大的群体非常复杂，可能有超过 100 个地点。 与地球上的风暴一样，黑子的位置不是固定的，但与太阳的旋转相比，它们的漂移速度很慢。
1612 年，伽利略记录了太阳转动时太阳黑子穿过圆盘时的明显运动（图\(\PageIndex{2}\)），证明了太阳在其轴线上旋转，旋转周期约为 1 个月。 我们的恒星从西向东转动，就像行星的轨道运动一样。 但是，太阳是一种气体，不必像地球这样的固体那样严格旋转。 现代观测表明，太阳的旋转速度因纬度而异，也就是说，当你在太阳赤道向北或向南移动时，旋转速度会有所不同。 赤道的旋转周期约为25天，在纬度40°处为28天，在纬度80°处为36天。 我们将这种行为称为差分旋转。
太阳黑子周期
1826年至1850年间，德国药剂师兼业余天文学家海因里希·施瓦贝每天记录黑子的数量。 他真正寻找的是一颗位于水星轨道内的行星，他希望通过观察它在太阳和地球之间经过时的深色轮廓来找到这颗行星。 他未能找到希望的行星，但他的勤奋得到了回报，发现了一个更为重要的发现：黑子循环。 他发现黑子的数量有系统地变化，周期约为十年。
施瓦贝观察到的是，尽管单个斑点的寿命很短，但在某些时间（黑子最大时期），任何时候在太阳上可见的总数可能比其他时间（黑子最小时期）大得多。 我们现在知道黑子最大值的平均间隔为 11年，但是连续最大值之间的间隔从短至9年到长达14年不等。 在黑子最大值期间，通常可以同时看到 100 多个斑点。 即便如此，只有不到百分之一的太阳表面被斑点覆盖（见第15.3节\(15.3.5\)中的图）。 在最小黑子期间，有时看不到斑点。 太阳的活动在2014年达到了最近的最高水平。
观看这段来自美国宇航局戈达德太空飞行中心的简短视频，该视频解释了黑子循环。
磁学与太阳周期
既然我们已经讨论了太阳的活动周期，你可能会问：“为什么太阳会以如此规律的方式变化？” 天文学家现在明白，推动太阳活动的是太阳不断变化的磁场。
太阳磁场是使用一种叫做 Zeeman 效应的原子特性来测量的。 回想一下 Radiation and Spectra，原子有许多能级，当电子从一个水平转移到另一个水平时，就会形成光谱线。 如果每个能量等级都经过精确定义，那么它们之间的差异也非常精确。 当电子改变电平时，结果是一条尖锐而狭窄的光谱线（吸收线或发射线，取决于电子在过渡期间的能量是增加还是减少）。
但是，在存在强磁场的情况下，每个能级会被分成几个彼此非常接近的等级。 关卡的分离与场地的强度成正比。 因此，在存在磁场的情况下形成的光谱线不是单线，而是一系列间隔非常紧密的线，对应于原子能级的细分。 我们称之为塞曼效应（继1896年首次发现磁场的荷兰科学家之后），这种在存在磁场的情况下分裂线的现象。
对来自黑子区域的光谱中的塞曼效应的测量结果表明，它们具有强磁场（图\(\PageIndex{3}\)）。 请记住，磁铁总是有北极和南极。 每当成对或成组观察到包含两个主点的黑子时，其中一个点的磁极性通常与寻北磁极相同，而另一个具有相反的极性。 此外，在给定的周期中，北半球货币对的前导点（或群组的主导点）往往具有相同的极性，而南半球的领先点往往具有相反的极性。
但是，在下一个黑子周期中，每个半球领先点的极性都发生了逆转。 例如，如果在一个周期中，北半球的领先点都具有寻北极的极点，那么南半球的领先点将具有寻南极的极点。 在下一个周期中，北半球的领先点将具有南向极性，而南半球的领先点将具有寻北极性。 因此，严格来说，在两个11年的周期过去之前，太阳黑子循环在磁极性方面不会重演。 太阳磁场的视觉表现称为磁图，可用于查看黑子与太阳磁场之间的关系（图\(\PageIndex{4}\)）。
为什么太阳是如此强大而复杂的磁铁？ 天文学家发现，产生磁场的是太阳的发电机。 发电机是一种将动能（即运动能量）转化为电能的机器。 在地球上，发电机存在于发电厂中，例如，来自风或流动水的能量被用来使涡轮机旋转。 在太阳中，动能的来源是我们前面提到的太阳内部电离气体湍流层的搅动。 它们产生电流（移动电子），进而产生磁场。
大多数太阳研究人员都认为，太阳发电机位于对流区或对流区与其下方的辐射区之间的界面层中。 当来自太阳发电机的磁场相互作用时，它们会破裂、重新连接并升起穿过太阳表面。
我们应该说，尽管我们有很好的观测结果向我们展示了太阳在每个太阳周期中是如何变化的，但要建立像太阳这样复杂的东西的物理模型来令人满意地解释其变化原因仍然非常困难。 研究人员尚未开发出一种普遍接受的模型来详细描述控制太阳周期的物理过程。 计算确实表明，差分旋转（即太阳在不同纬度以不同的速率旋转）和太阳表面正下方的对流会扭曲和扭曲磁场。 这会导致它们生长然后衰变，大约每 11 年以相反的极性再生一次。 计算还表明，随着场在接近太阳最大值时变得更强，它们会以环的形式从太阳内部流向太阳表面。 当一个大环从太阳表面出现时，它会形成黑子活动区域（图\(\PageIndex{5}\)）。
这种磁环的概念自然地解释了为什么活跃区域中的前后黑子具有相反的极性。 领先的黑子与循环的一端重合，尾部与另一端重合。 磁场也是解释为什么黑子比没有强磁场的区域更凉更暗的关键。 磁场产生的力抵抗了上升的热气冒泡柱的运动。 由于这些柱子通过对流将来自太阳内部的大部分热量传送到地表，并且强磁场抑制了这种对流，因此允许太阳表面冷却。 因此，这些区域被视为更暗、更凉爽的黑子。
除了这幅总体情况之外，研究人员仍在努力确定为什么磁场如此之大，为什么每个半球的磁场极性会从一个周期转到另一个周期，为什么太阳周期的长度会因周期而异，以及为什么像 Maunder Minimum 这样的事件发生。
在这段视频中，太阳科学家霍莉·吉尔伯特讨论了太阳的磁场。
关键概念和摘要
太阳黑子是暗区，其温度比周围的光圈低 2000 K。 它们在太阳盘上的运动使我们能够计算出太阳在其轴线上转动的速度。 太阳在赤道的旋转速度比在两极附近旋转得快，赤道的旋转周期约为25天，后者的周期略长于36天。 可见黑子的数量根据平均长度为11年的黑子周期而变化。 斑点经常成对出现。 在给定的11年周期中，北半球的所有领先位置都具有相同的磁极性，而南半球的所有领先体育项目都具有相反的极性。 在随后的11年周期中，极性发生了逆转。 出于这个原因，据了解，太阳的磁活动周期将持续22年。 这个活动周期与太阳磁场的行为有关，但其确切机制尚不清楚。
词汇表
- 差速旋转
- 当旋转物体的不同部分在不同的纬度上以不同的速度旋转时发生的现象
- 最低限度
- 在十八世纪，在整个太阳周期中看到的黑子数量异常少
- 太阳黑子
- 由于磁活动增加，在太阳表面可以看到较大的深色特征
- 太阳黑子周期
- 黑子频率波动的半规则11年周期