Skip to main content
Global

15.3: 光圈上方的太阳活动

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    203209

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    学习目标

    在本节结束时，您将能够：

    • 描述太阳活动周期表现的各种方式，包括耀斑、日冕物质抛射、突出物和海滩

    太阳黑子并不是太阳周期中唯一不同的特征。 染色圈和日冕也发生了巨大变化。 要了解染色圈中会发生什么，我们必须观察氢气和钙等元素的发射线，这些元素在该层的温度下会发出有用的光谱线。 另一方面，可以通过观测X射线、极紫外线和其他高能波长来研究热日冕。

    平台和突出物

    正如我们所看到的，氢气和钙的发射线是在染色圈的热气中产生的。 天文学家通常通过滤镜拍摄太阳，这些滤镜仅以与这些发射线相对应的波长传输光。 通过这些特殊滤镜拍摄的照片显示黑子周围染色圈中有明亮的 “云”；这些明亮的区域被称为海滩（图\(\PageIndex{1}\)）。 这些区域是染色圈内温度和密度比周围环境更高的区域。 海滩实际上含有太阳中的所有元素，而不仅仅是氢气和钙。 碰巧这些云产生的氢气和钙的光谱线明亮且易于观察。

    alt
    在太阳上\(\PageIndex{1}\)绘制普拉格斯图案。 这张太阳图像是用滤镜拍摄的，该滤镜仅传输单电离钙产生的光谱线的光。 明亮的云状区域是海滩。 （CC BY 4.0；Fraknoi 通过 OpenStax）

    在太阳大气层向上移动，我们会看到被称为突出物（图\(\PageIndex{2}\)）的壮观现象，它们通常起源于黑子附近。 Eclipse 观察者经常将突出物看作是红色特征升起在黯然失色的太阳上方并到达日冕的高处。 有些是静态的突出物，是优雅的等离子体循环（电离气体），可以在数小时甚至数天内保持近乎稳定。 相对罕见的喷发突出物似乎会将物质高速向上送入日冕，而最活跃的浪涌突出物可能以每秒 1300 千米（近每小时 300 万英里）的速度移动。 一些喷发的突出物已经达到了光圈上方超过100万公里的高度；地球将完全消失在其中一个很棒的显示器中（图\(\PageIndex{2}\)）。

    alt
    人物\(\PageIndex{2}\)突出人物。 (a) 这张突出喷发的图像是在光谱极紫外部分的单电离氦光下拍摄的。 突出度特别大。 以相同的比例显示地球图像以供比较。 (b) 突出的是悬浮在更热的日冕中的相对凉爽（在本例中约为60,000 K）、相当密集的气体的巨大云层。 这些用紫外线拍摄的照片采用颜色编码，因此白色对应最热的温度，深红色对应较冷的温度。 这四张照片是在 2001 年 5 月 15 日、2000 年 3 月 28 日、2000 年 1 月 18 日和 2001 年 2 月 2 日从左上角顺时针移动拍摄的。 （CC BY 4.0；Fraknoi 通过 OpenStax）

    耀斑和日冕物质抛射

    太阳表面最猛烈的事件是称为太阳耀斑的快速喷发（图\(\PageIndex{3}\)）。 一枚典型的照明弹持续 5 到 10 分钟，释放的总能量相当于大概一百万枚氢弹的能量。 最大的火炬持续数小时，并释放出足够的能量，以目前的电力消耗率为整个美国供电 10 万年。 在黑子最大值附近，小耀斑每天发生几次，重大耀斑可能每隔几周发生一次。

    alt
    图\(\PageIndex{3}\) Solar Flare。 在这张来自《太阳动力学观察家》航天器的照片中，在太阳右侧看到的亮白色区域是 2015 年 6 月 25 日观测到的太阳耀斑。 （CC BY 4.0；Fraknoi 通过 OpenStax）

    耀斑，如图所示\(\PageIndex{4}\)，通常是在氢气的红光下观察到的，但可见光发射只是太阳耀斑爆炸时释放的能量的一小部分。 爆炸发生时，与耀斑相关的物质被加热到高达1,000万K的温度。在如此高的温度下，会发出大量的X射线和紫外线辐射。

    当指向相反方向的磁场通过相互作用和相互摧毁而释放能量时，似乎就会发生耀斑，就像拉伸的橡皮筋在断裂时释放能量一样。

    耀斑的不同之处在于，它们的磁相互作用在日冕中覆盖了大量的体积并释放了大量的电磁辐射。 在某些情况下，大量的日冕物质（主要是质子和电子）也可能以高速（每秒500—1000千米）喷射到行星际空间。 这种日冕物质抛射（CME）可以通过多种方式影响地球（我们将在太空天气部分中对此进行讨论）。

    alt
    人物\(\PageIndex{4}\)耀斑和日冕物质抛射。 这个由四张图像组成的序列显示了太阳上一次巨大喷发随时间推移而演变的过程。 (a) 事件始于黑子群所在地，(b) 在远紫外线下可以看到耀斑。 (c) 十四小时后，人们看到一架芝商所向太空爆炸。 (d) 三个小时后，芝加哥商品交易所扩大，形成了逃离太阳的巨大粒子云，并开始了进入太阳系的旅程。 (c) 和 (d) 中的白色圆圈显示了太阳光圈的直径。 较大的暗区显示了来自太阳的光线被专门设计的仪器阻挡的地方，以便可以看到日冕发出的微弱发射。 （CC BY 4.0；Fraknoi 通过 OpenStax）

    查看太阳动力学天文台记录的日冕物质抛射情况。

    活跃区域

    为了将最后两个部分的讨论汇总在一起，天文学家现在意识到，染色圈和日冕中的黑子、耀斑和明亮区域往往在时空上同时出现在太阳上。 也就是说，它们往往具有相似的经度和纬度，但它们位于大气中的不同高度。 因为它们一起出现，所以它们会随着黑子周期的变化而变化。

    alt
    图：\(\PageIndex{5}\)太阳周期。 在长达11年的时间里，从SOHO卫星上拍摄的这一系列引人注目的图像显示了活跃区域在太阳周期中是如何变化的。 这些图像是在光谱的紫外线区域拍摄的，显示太阳上的活跃区域在该周期内增加和减少。 太阳黑子位于较冷的光圈中，位于本图所示的热气体之下，并且与这些热气的排放相位不同——更多的黑子和更多的热气排放一起出现。 （CC BY 4.0；Fraknoi 通过 OpenStax）

    例如，耀斑更有可能发生在黑子最大值附近，而当时的日冕要明显得多（见图\(\PageIndex{5}\)）。 太阳上可以看到许多此类现象的地方称为活跃区域（图\(\PageIndex{6}\)）。 正如你可能从我们之前的讨论中推断出的那样，活跃区域总是与强磁场有关。

    alt
    图在\(\PageIndex{6}\)太阳大气层的不同高度观测到的太阳活跃区域。 这四张 2012 年 10 月 22 日太阳耀斑的图像从左起显示：来自太阳的光，波长为 171 盎格斯特罗姆，显示日冕中太阳物质环的结构；304 盎格斯特罗姆处的紫外线，显示来自耀斑起源的太阳大气区域的光；光在 335 angstroms 处，突出显示来自日冕活跃区域的辐射；磁图，显示太阳上磁活跃区域。 请注意，这些不同类型的活动是如何发生在具有强磁场的黑子区域上方的。 （CC BY 4.0；Fraknoi 通过 OpenStax）

    关键概念和摘要

    太阳活动更激烈的迹象、黑子数量的增加以及突出物、海滩、太阳耀斑和日冕物质抛射的迹象都往往出现在活跃区域，也就是说，在太阳上纬度和经度相同但大气高度不同的地方。 活跃区域随太阳周期而变化，就像黑子一样。

    词汇表

    活跃区域
    太阳上磁场集中的区域；黑子、突出物、耀斑和 CME 都倾向于出现在活跃区域
    日冕物质抛射 (CME)
    一种太阳耀斑，其中大量日冕物质（主要是质子和电子）以高速（每秒 500—1000 千米）喷射到行星际空间
    海滩
    在某条光谱线的光照下观测到的太阳表面的明亮区域
    突出物
    一个大而明亮的气态特征，出现在太阳表面上方并延伸到日冕中
    太阳耀斑
    来自太阳表面延伸区域的电磁辐射突然暂时爆发