太陽黑子和磁場的研究
太陽黑子的古代觀測
指在望遠鏡發(fā)明以前直接用肉眼觀察日面上的黑子現(xiàn)象。在一般情況下﹐由于太陽光十分刺眼﹐看到這種現(xiàn)象的機會不多。但在日出或日落時﹐或在大霧籠罩或風(fēng)沙彌漫的天氣﹐日光減弱﹐就有可能看到日面上的大黑子。
在古代歐洲﹐亞里士多德認為天體是永恒不變的和完美無缺的。這種觀念后來為基督教神學(xué)所利用﹐成為中世紀禁錮科學(xué)思想的精神枷鎖。在這種觀念的支配下﹐人們用肉眼看到太陽黑子﹐竟不敢相信這是事實。因此﹐歐洲在望遠鏡發(fā)明以前的漫長歷史中﹐關(guān)于太陽黑子的觀測記錄寥寥無幾﹐而且記載十分簡單。據(jù)一些研究者考證﹐歐洲古代太陽黑子觀測記錄總共只有八條。
中國古代對太陽黑子的觀測有悠久的歷史。中國哲學(xué)著作《周易》中有“日中見斗”﹐“日中見”的記載﹐說的可能就是太陽黑子。1972年長沙馬王堆一號漢墓中出土的帛畫上方﹐畫著一輪紅日﹐中間蹲著一只烏鴉。據(jù)考證﹐這就是中國古代神話所說的“日中烏”。這應(yīng)該認為是對太陽黑子現(xiàn)象的藝術(shù)描述。在中國的史書中﹐觀測到太陽黑子通常都記為“日中有黑子”﹑“日中有黑氣”等等。例如﹐《漢書·五行志》記載﹕成帝河平元年“亂椅穿o日出黃﹐有黑氣大如錢﹐居日中央”(據(jù)考證﹐“乙未”應(yīng)為“己未”)。這是公元前28年5月10日的太陽黑子記錄﹐是中國史書中的第一條黑子記錄。史書中的太陽黑子記錄﹐在宋代鄭樵編纂的《通志》和清代編輯的《古今圖書集成》中都有系統(tǒng)的整理和歸納。在近代﹐國內(nèi)外一些研究者對太陽黑子的記載也進行了系統(tǒng)的統(tǒng)計和考證﹐其中以中國的朱文鑫和日本的神田茂所整理的黑子表為最完善。在中國的地方志﹑筆記﹑雜著和其他書籍中﹐也有相當數(shù)量的太陽黑子記錄。目前正由有關(guān)研究單位組織普查和整理。
古代關(guān)于太陽黑子的記錄具有重要的科學(xué)價值。它是歷史上關(guān)于太陽活動狀況的僅有的直接觀測資料。利用這些資料來探討歷史上太陽活動的特性和規(guī)律﹐將有助于人們對太陽活動本質(zhì)的認識和理解。利用古代黑子記錄還可以從事日地關(guān)系的研究。中國著名科學(xué)家竺可楨﹐曾利用大量的歷史資料研究中國歷史上氣候變化和太陽活動的關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)﹐凡是中國古代黑子記錄多的世紀﹐也就是中國境內(nèi)奇寒冬天次數(shù)多的世紀。
伽利略是偉大的意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，科學(xué)革命的先驅(qū)。歷史上他首先在科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上融會貫通了數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)三門知識，擴大、加深并改變了人類對物質(zhì)運動和宇宙的認識。為了證實和傳播N.哥白尼的日心說，伽利略獻出了畢生精力。由此，他晚年受到教會迫害，并被終身監(jiān)禁。他以系統(tǒng)的實驗和觀察推翻了以亞里士多德為代表的、純屬思辨的傳統(tǒng)的自然觀，開創(chuàng)了以實驗事實為根據(jù)并具有嚴密邏輯體系的近代科學(xué)。因此，他被稱為"近代科學(xué)之父"。他的工作，為I.牛頓的理論體系的建立奠定了基礎(chǔ)?！W洲中世紀占絕對統(tǒng)治地位的自然觀，是經(jīng)過神學(xué)改裝了的亞里士多德的自然觀，它成為封建神權(quán)統(tǒng)治者統(tǒng)制民眾思想的工具。亞里士多德認為，地球和地上萬物都由氣、火、水、土四種元素所組成，都是丑陋、不潔、不完美的，有變化和有生滅的?；鸷蜌饨M成向上流動的輕物，水和土組成向下掉落的重物。而天體則是?quot;以太"所組成的純潔、完美、永恒的物體。又因為"上帝厭惡真空"，所以真空不可能存在。然而伽利略從望遠鏡發(fā)現(xiàn)月亮表面有山峰和洼地，高低不平，并不是完美無缺，金星也有盈虧變化；太陽表面還有活動不已的黑子；肉眼就能直接看到超新星的爆發(fā)及其漸漸暗淡和消失。這些都打破了亞里士多德天尊地卑，天體和地上物質(zhì)的性質(zhì)懸殊的思想。太陽磁場異?？癖?/p>
太陽磁場
分布于太陽和行星際空間的磁場。分大尺度結(jié)構(gòu)和小尺度結(jié)構(gòu)。前者主要指太陽普遍磁場和整體磁場，它們是單極性的，后者則主要集中在太陽活動區(qū)附近，且絕大多數(shù)是雙極磁場。太陽普遍磁場指日面寧靜區(qū)的微弱磁場，強度約1×10-4～3×10-4特斯拉，它在太陽南北兩極區(qū)極性相反，近年的觀測發(fā)現(xiàn)，通過光球的大多數(shù)磁通量管被集中在太陽表面稱作磁元的區(qū)域，其半徑為100～300千米，場強為0.1～0.2特斯拉，大多數(shù)磁元出現(xiàn)在米粒和超米粒邊界及活動區(qū)內(nèi)。如果把太陽當作一顆恒星 ，可測到它的整體磁場約3×10-5特斯拉，這個磁場是東西反向的。在太陽風(fēng)作用下，太陽磁場還彌漫整個行星際空間，形成行星際磁場。它的極性與太陽整體磁場一致，隨著離開太陽的距離增加而減弱。各種太陽活動現(xiàn)象都與磁場密切相關(guān)：耀斑產(chǎn)生前后，附近活動區(qū)磁場有劇烈變化（如磁場湮滅）；黑子的磁場最強，小黑子約0.1特斯拉，大黑子可達0.3～0.4特斯拉甚至更高。譜斑的磁場約0.02特斯拉。日珥的形成和演化也受磁場的支配。
太陽的絕大部分物質(zhì)是高溫等離子體,太陽的物態(tài),運動和演變都與磁場密切相關(guān).太陽黑子,耀斑,日珥等活動現(xiàn)象,更是直接受磁場支配.因此,太陽磁場的研究具有重要意義.
1908 年,美國天文學(xué)家海耳等在威爾遜山天文臺(現(xiàn)稱海耳天文臺),利用光譜線的塞曼效應(yīng)測量太陽黑子的磁場.這項工作后來在波茨坦天文臺(1942年),克里米亞天體物理臺(1955年)等處也相繼開展起來.1912年,海耳等開始測量太陽的普遍磁場,
但得到的結(jié)果有較大誤差.1953年,H.D.巴布科克研制了太陽光電磁像儀,用以觀測太陽表面的微弱磁場.在以后二十多年,各種不同類型的磁像儀先后研制成功,因而發(fā)現(xiàn)了日面局部磁場,太陽整體磁場和磁結(jié)點等.在實測工作取得巨大進展的同時,理論研究也蓬勃開展起來.例如,黑子磁場結(jié)構(gòu),太陽活動周的起源,耀斑爆發(fā)機制以及磁場內(nèi)譜線形成理論等研究,都有了重要的進展.
太陽黑子磁場 一般說來,一個黑子群中有兩個主要黑子,它們
的磁極性相反.如果前導(dǎo)黑子是N極的,則后隨黑子就是S極的.在同一半球(例如北半球)各黑子群的磁極性分布狀況是相同的;而在另一半球(南半球)情況則與此相反.在一個太陽活動周期(約11年)結(jié)束,另一個周期開始時,上述磁極性分布便全部顛倒過來.因此
每隔22年黑子磁場的極性分布經(jīng)歷一個循環(huán),稱為一個磁周.強磁場是太陽黑子最基本的特征.黑子的低溫,物質(zhì)運動和結(jié)構(gòu)模型都與磁場息息相關(guān).耀斑與磁場的關(guān)系 耀斑是最強烈的太陽活動現(xiàn)象.一次大耀斑爆發(fā)可以釋放1030～1033爾格的能量,這個能量可能來自磁場.在活動區(qū)內(nèi)一個強度為幾百高斯的磁場一旦湮沒,它所蘊藏的磁能便全部釋放出來,足夠供給一次大耀斑爆發(fā).在耀斑爆發(fā)前后,附近活動區(qū)的磁場往往有劇烈的變化.本來是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的磁場,在耀斑發(fā)生后就變得比較簡單了.這就是耀斑爆發(fā)的磁場湮沒理論的證據(jù).
太陽磁場便彌漫于整個太陽系空間.因為太陽在自轉(zhuǎn),太陽風(fēng)所攜帶的磁力線就不是直線,而是螺旋線.此外,日面上有整體磁場,相鄰磁區(qū)的極性是相反的.這些因素同時起作用,形成行星際磁場的扇形結(jié)構(gòu).它和太陽整體磁場密切相關(guān),它們的極性幾乎完全一致.圖1 中的折線表示太陽整體磁場,而中間水平直線兩旁的斜線則表示行星際磁場的極性.太陽整體磁場的極性一旦轉(zhuǎn)換,行星際磁場的極性立即跟著轉(zhuǎn)換.隨著太陽磁場向外擴張,它的強度也就越來越弱.在地球外圍空間,磁場強度還不到萬分之一高斯.然而由于行星際空間的氣體極為稀薄,這樣弱的磁場也能對物質(zhì)運動產(chǎn)生支配作用.在太陽風(fēng)的作用下,地磁場被壓縮在地球磁層的范圍內(nèi),不能向外延伸.
太陽內(nèi)部磁場 目前對太陽磁場測量只限于太陽大氣.至于太陽內(nèi)部磁場,還不能直接測量,只能用理論方法作粗略的估計.有人認為它可能比大氣的磁場強得多.太陽磁場的起源 太陽的磁場來源是一個遠未解決的難題.現(xiàn)有學(xué)說可分為兩類.一類是化石學(xué)說,認為現(xiàn)有的磁性是幾十億年前形成太陽的物質(zhì)遺留下來的.理論計算表明,太陽普遍磁場的自然衰減期長達100億年,因此,磁性長期留存是可能的.另一類是目前得到普遍承認的發(fā)電機學(xué)說,認為太陽的磁場是帶電物質(zhì)的運動使微弱的種子磁場得到放大的結(jié)果.既然太陽的物質(zhì)絕大部分是等離子體,并且經(jīng)常處于運動狀態(tài),那就可以用發(fā)電機效應(yīng)來說明關(guān)于太陽磁場起源中的若干問題.太陽磁場理論的一個重要課題是太陽活動周的形成機制.目前得到公認的是較差自轉(zhuǎn)理論.它認為太陽的較差自轉(zhuǎn)使光球下面的水平磁力線管纏繞起來,到一定時候,上浮到日面,形成雙極黑子.由于大量的雙極黑子磁場的膨脹和擴散,原來的普遍磁場被中和掉了,接著就會出現(xiàn)極性相反的普遍磁場.這樣就可以解釋太陽的22年磁周.
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