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太陽黑子

(天文學名詞)

鎖定
太陽黑子,是指太陽的光球表面有時會出現一些暗的區域,它是磁場聚集的地方。黑子是太陽表面可以看到的最突出的現象。一箇中等大小的黑子大概和地球的大小差不多。太陽黑子存在於太陽光球表面,是磁場的聚集之處。其數量和位置每隔一段時間會發生週期性變化。根據統計,地球上天氣或氣候反常均與太陽黑子活動有密切關係。 [6-7] 
黑子的形成和消失要經歷幾天到幾個星期不等。當強磁場浮現到太陽表面,該區域的背景温度緩慢地從6000攝氏度降至4000攝氏度,這時該區域以暗點形式出現在太陽表面。在黑子中心最黑的部分被稱作本影,本影是磁場最強的區域。本影周圍不太黑、呈條紋狀的區域被稱為半影。黑子隨太陽表面一起旋轉,大約經過27天完成一次自轉。 [1] 
長期的觀測發現,黑子多的時候,其他太陽活動現象也會比較頻繁。黑子附近的光球中總會出現光斑,黑子上空的色球中總會出現譜斑,其附近經常有日珥(暗條)。同時,絕大多數的太陽爆發活動現象也發生在黑子上空的大氣中。因此,從太陽大氣低層至高層,以黑子為核心形成一個活動中心——太陽活動區。黑子既是活動區的核心,也是活動區最明顯的標誌。
中文名
太陽黑子
外文名
Sunspot
組    成
本影、半影
發    現
最早記錄是公元前28年中國漢朝人
成    因
強磁場下温度比周圍低,暗點出現
觀測特徵
黑子羣、週期變化、蝴蝶舞步

太陽黑子簡介

太陽黑子,是指太陽光球上經常出現的陰暗斑點。它是太陽活動的基本標誌。根據統計,地球上天氣或氣候反常均與太陽黑子活動有密切關係。 [9] 

太陽黑子發現記載

在我國史書上有着豐富的黑子目視記錄,僅正史上就有100多次。現在公認的世界上第一次明確的黑子記錄是公元前28年我國漢朝人所觀測到的。在《漢書·五行志》裏是這樣記載的:“成帝河平元年三月乙未,日出黃,有黑氣,大如錢,居日中央”。
意大利天文學家伽利略記錄的移動的太陽黑子 意大利天文學家伽利略記錄的移動的太陽黑子
在西方,太陽黑子的第一次記錄是807年,但在很長時間裏對它還缺乏正確的概念,將它看作是一顆行星從太陽前面通過,直到公元1610年, [8]  意大利天文學家伽利略首次用望遠鏡看到了太陽黑子,發現黑子是太陽表面非常普遍的現象。不過,這一觀測結果與當時的宗教教義相牴觸。從1818年開始才有比較常規的每日黑子觀測,從而有比較可靠的黑子資料。1610年—1818年間的黑子記錄資料是不連貫和不均勻的,存在各種系統誤差,尤其是1750年以前的觀測記錄存在很大的不確定性。
太陽黑子的常規觀測不僅讓我們認識到太陽黑子自身的變化規律,同時也揭示了太陽上的其他現象和規律。如太陽磁場、太陽自轉、白光耀斑都是在黑子觀測中被發現的。

太陽黑子黑子成因

仔細觀察黑子可以發現,一個發展成熟的黑子是由中心顏色暗黑的部分和其周圍暗黑的部分組成。前者是黑子的本影,後者為黑子的半影。黑子是太陽光球上的低温區,本影區的絕對温度在4000℃左右,半影則為5400℃。所以,黑子其實並不黑,只是因為它的温度比光球低,才在明亮的光球背景襯托下顯得黑。
太陽表面磁場結構 太陽表面磁場結構
導致黑子温度低的直接原因則是因為它自身具有強磁場,磁場強度約在1000高斯~4000高斯之間,比地球上的磁場強度高上一萬倍。強磁場能夠抑制太陽內部能量通過對流的方式向外傳遞。所以,當強磁場浮現到太陽表面時,該區域的背景温度緩慢地從5700℃降到4000℃左右,使該區域以暗點形式出現,即黑子產生。
黑子傾向於成羣出現。一個發展成熟的典型黑子羣由兩部分組成,由於太陽自轉,西邊的部分總是在前面,稱為前導部分;與其對應,東邊的就稱為後隨部分。前導和後隨黑子的磁場極性相反,一個表現得如北磁極(N),另一個則表現得如南磁極(S),這樣的黑子羣也因此稱為雙極黑子羣。黑子羣中也存在只有一種極性的單極羣和極性分佈複雜的多極羣。一般來説,黑子羣越大,磁場極性越複雜,磁場強度越大。

太陽黑子觀測特徵

黑子羣的成長演化
太陽黑子(近照)與地球 太陽黑子(近照)與地球
日面上經常形成許多黑子羣。每個黑子羣中的黑子有一、二個至幾十個,每個黑子的直徑大小約有幾百至幾萬千米。黑子羣的大小則以它在日面上的面積來表示,單位是太陽半球面積的百萬分之一。一百個面積單位跟地球面積相當,普通黑子羣的面積為幾百個面積單位,大黑子羣的面積則能達到幾千個面積單位。
黑子羣的演化過程通常由簡單變複雜,再變簡單。起初,它是個小黑點,逐漸發展成由兩個極性相反的大黑子構成的雙極黑子羣。兩個大黑子間又有很多小黑子,大黑子在逐漸增大的同時,距離越來越大,然後逐漸分裂,最後消失。黑子羣壽命短的只有1天~2天,長的可達幾個月,大部分黑子羣的壽命可以持續1天~20天。
黑子數量的11年週期性
太陽黑子
太陽黑子(5張)
1843年,德國天文愛好者施瓦布通過自己1826年——1843年間的日常黑子觀測,首次發現日面上黑子數量的多少存在11年左右的週期變化。
1848年,瑞士天文學家沃爾夫首次提出用黑子相對數(或叫做沃爾夫數)來表示裏面可見半球黑子的多寡,其定義為R=K(10g+f),其中g和f分別表示日面上出現的黑子羣和黑子數目,K值則會因天文台的觀測望遠鏡(口徑和焦距)、觀測方法(如目視還是照相)、觀測地的天氣條件(大氣透明度和視寧度)以及觀測者的情況(技術、經驗和穩定度)而不同。對於固定的儀器和成熟的觀測值,K值接近於常數。經過沃爾夫的蒐集和整理,基本上不間斷的每日黑子相對數記錄可向前推到1818年,黑子相對數的月均值可推至1749年,年均值可向前推到1610年。 [2] 
從長期的黑子相對數記錄可見,黑子相對數的平均值明顯的表現出11年左右的週期性,最短為9.0年,最長為13.6年。從黑子數的多寡以及太陽10.7釐米射電流量的變化,就能很容易看出太陽活動的這種週期變化。黑子相對數的年均值的極大和極小年份,分別稱為太陽活動的極大年(峯年)和極小年(谷年)。通常,也將黑子相對數年均值相對高的太陽活動極大年和其相鄰的幾年,稱為太陽活動高年;黑子相對數年均值相對較少的太陽活動極小年和其相鄰的幾年,稱為太陽活動低年。
兩次相鄰極小年之間為一個太陽活動周。人們規定以1755年極小年起算的活動周為第一週。
黑子的蝴蝶舞步
受施瓦布發現的影響,英國天文愛好者卡林頓通過1853年——1861年間的日常黑子觀測,首次發現黑子在日面上的緯度位置隨時間向赤道方向遷移;德國天文學家古斯塔夫·施波雷爾通過對卡林頓觀測數據的進一步分析得到太陽黑子在日面位置上的遷移呈現蝴蝶圖樣的分佈。
黑子的蝴蝶舞步 黑子的蝴蝶舞步
在太陽活動周開始時,南北半球黑子羣的平均緯度在30°附近,隨着時間推移,黑子出現的緯度逐漸向太陽赤道轉移,在極大年附近為15°左右,在活動周結束時,黑子羣的平均緯度約為8°;同時,在每一活動周的末尾,新的黑子羣又開始在高緯出現,形成前一週黑子在低緯和新一週黑子在高緯同時存在的情形,這樣的情形大約維持一年左右。如果把日面緯度作為縱座標,以時間作為橫座標,將黑子畫在圖上,我們就得到一串翩翩起舞的美麗的蝴蝶形圖樣。
黑子的亮牆結構
黑子的亮牆結構 黑子的亮牆結構
中國科學院國家天文台與雲南天文台研究人員,共同綜合利用雲南撫仙湖一米新真空太陽望遠鏡(NVST)、美國太陽動力學天文台(SDO)及太陽界面層成像光譜儀(IRIS)的數據,首次發現了黑子亮橋上的垂直振盪亮結構,並將其命名為“亮牆(light wall)”。
2014年10月下旬,太陽的可見日面上出現了24年以來的最大黑子羣,活動區編號為12192。NVST的TiO 705.8 nm圖像顯示,活動區12192的負極性主黑子具有完備的本影、半影結構,在黑子本影區存在着很強的亮橋結構。而IRIS 133 nm圖像則顯示,在亮橋結構的上方存在着垂直振盪的亮結構,像是紮根在亮橋上的一堵牆,所以形象的將其命名為亮牆。亮牆的整體都要比周圍區域明亮,尤其是牆頂的亮度更高,在SDO的多個極紫外波段可見。亮牆的平均高度為3.6兆米。亮牆的頂部上下運動,形成連續的振盪,平均振幅和平均振盪速度分別為0.9兆米和15.4千米/秒。通過對亮牆的高度變化進行小波分析,發現亮牆的主振盪週期為3.9分鐘。科研人員提出,壓力波引起的太陽徑向脈動激發了亮牆的振盪,而亮牆持續的亮度增強表明存在着持續的小尺度磁重聯或者磁聲波加熱過程。
在此之前,根據人們的傳統認識,成熟大黑子的基本結構大致由本影、半影、亮橋組成。最新的觀測數據表明,亮牆是黑子內部的一種基本結構。亮牆結構的發現使得人們對黑子的結構有了更新的認識。 [3] 

太陽黑子黑子介紹

太陽是地球上光和熱的源泉,它的一舉一動,都會對地球產生各種各樣的影響。
觀察發現,太陽公公的臉上有時會長出一顆一顆的“小黑痣”,這是為什麼呢?又會對地球產生怎樣的影響呢?
太陽公公臉上的“小黑痣”,其實叫做太陽黑子。
太陽黑子是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動,是太陽活動中最基本、最明顯的。一般認為,太陽黑子實際上是太陽表面一種熾熱氣體的巨大漩渦,温度大約為3000-4500℃。因為其温度比太陽的光球層表面温度要低1000到2000攝氏度,所以看上去像一些深暗色的斑點。一個發展完全的黑子由較暗的核和周圍較亮的部分構成,中間凹陷大約500千米。一個小黑子大約有1000千米,而一個大黑子則可達20萬千米。太陽黑子的形成與太陽磁場有密切的關係。但是他到底是如何形成的,天文學家對這個問題還沒有找到確切的答案。不過科學家推測,極有可能是強烈的磁場改變了某片區域的物質結構,從而使太陽內部的光和熱不能有效地到達表面,形成了這樣的“低温區”。也就是太陽上一顆顆的“小黑痣”。
太陽黑子很少單獨活動,通常是成羣出現。黑子的活動週期為11年,活躍時會對地球的磁場產生影響,當太陽上有大羣黑子出現的時候,會出現磁暴現象使指南針亂抖動,不能正確地指示方向;平時很善於識別方向的信鴿會迷路;無線電通訊也會受到嚴重阻礙,甚至會突然中斷一段時間,這些反常現象將會對飛機、輪船和人造衞星的安全航行、還有電視傳真等等方面造成嚴重威脅。
看來這些“小黑痣”,不僅影響太陽公公的美貌,還對人類生產生活也有一定影響呀!
這就是太陽黑子的成因和影響。 [4] 

太陽黑子研究進展

2012年10月21日,日本名古屋大學的研究團隊宣佈,通過分析太陽觀測數據,發現在太陽北半球黑子數增加最顯著的時期,太陽北極會出現磁場南北極反轉的磁極顛倒現象。同樣情況也在太陽南半球的南極發生。太陽的這種磁極顛倒狀況與歷史上若干地球變冷時期的相關太陽變化類似,但這是否預示地球在不久的將來將變冷還有待繼續觀察研究。 [5] 
參考資料