现代天文学与诺贝尔物理学奖讲义 第4章提要

第四章、太阳和磁流体力学

1，太阳的基本情况

2，太阳活动现象及对地球的影响

3，光谱观测

4，太阳观测设备

5，阿尔文的太阳磁流体力学

阿尔文1908年5月30日生于瑞典。在乌普沙拉大学毕业，1934年获得博士学位。当他还是博士研究生的时候，他就创立了一个关于宇宙辐射起源的理论。

阿尔文善于提出新概念、新思想，从天文现象中发现新的物理规律，更善于把自己发展起来的理论用于解释复杂的天文现象。他是太阳和宇宙磁流体力学新学科的奠基人。

瑞典天文学家阿尔文因为对宇宙磁流体动力学的建立和发展作出的卓越贡献而荣获1970年度诺贝尔物理学奖，这是对他近40年科学生涯最公正的评价。

1，太阳的基本情况

太阳的基本情况

太阳是距离我们最近的

恒星；中等质量的壮年恒星；

日地距离149597870千米；

半径比地球大109倍，体积

是地球的130万倍；质量为

99×1030千克，是地球的

33万倍；太阳是气体球，平

均密度为1.409克/厘米3。

太阳的结构

内核：热核反应，产能区；

辐射层；对流层；

光球：光亮的球层，温度

6000K；

色球：温度比光球高,

波长656.28纳米的红光很

强；

日冕：温度百万度；

射电辐射来自日冕。

太阳化学组成

太阳有68种元素

氢78.4% ；氦19.8％；氧0.8%；碳0.3%；氮、氖、镍各占0.2%；其余元素均在0.1%以下。

太阳元素”的发现

1868年8月18日，法国天文学家詹逊在印度观测日全食时，发现日珥的两条钠线旁边还有一条橙黄色明线（D3），不知是什么元素的谱线。在当时化学家所列的表格中，没有一种物质有这条黄线，不能和已知的地球上任何元素的谱线不相对应。于是把这种元素命名为氦，原意为“太阳”，曾称”太阳元素”。

27年后，一位名叫雷姆塞的英国化学家终于在地球上也找到了氦。

2，太阳活动现象及对地球的影响

太阳磁场

从纵的方向看，太阳各层大气里的磁场很不相同；从横的方向看日面各部分磁场相差很大，既有大范围的大尺度磁场，也有直径不到几万千米的小尺度磁场。

太阳黑于磁场是最强的磁场。太阳活动都与磁场有关，磁场是活动区最本质的特征。在磁结构复杂的活动区，还能观测到耀斑、射电爆发、日珥等。太阳黑子相对数变化的11年周期

黑子“ 蝴蝶”图

在11年活动周期中，黑子分布呈现蝴蝶状从高纬到低纬的变化。每只蝴蝶对应一个活动周。黑子出现在南北纬度350之间。黑子磁极性变化有22年周期

日面上的偶极黑子群中，前导黑子总是与后随黑子的极性相反。

在同一个活动周中，南半球的前导和后随黑子的极性情况是一样的。南半球和北半球的情况相反。

每一个太阳活动周期中，黑子群的磁极性分布保持不变，但下一个周期的情况则截然相反。

太阳的较差自转

太阳赤道转得快：约27天转一圈。极区转得慢：约33天转一圈

日珥

在色球层有时有一束束窜得很高的火柱就是日珥，是一种十分美丽壮观的太阳活动现象。

日珥比光球暗得多，也只有在日全食时或者使用色球望远镜才能看到。日珥一般高约几万公里，大大超过了色球层的厚度，主要存在于日冕层当中。宁静日珥的形状可数月不变。

爆发日珥则以每秒700多公里的速度喷发到日冕中去。

耀斑

在大的黑子群上面，比较容易发生的一种爆发现象。耀斑是太阳上最强烈活动现象。耀斑的最大特点是来势猛，能量大。在短短一、二十分钟内释放出的能量相当于地球上十万至百万次强火山爆发的能量总和。

耀斑产生在日冕的低层。耀斑和黑子有着密切的关系。耀斑对地球有巨大影响，耀斑产生强大的由高能粒子组成的太阳风，吹到地球附近，对地球产生影响：

对地球上的电讯有强烈的干扰；对正在太空遨游的宇航员有致命的威胁；在地球大气高层产生极光。

美丽的极光

极光是唯一能用肉眼看到的高层大气中发生的物理现象。极光发生在地球两极高层大气中，来自太阳活动区带电粒子闯入地球高层大气，与大气中的分子或原子碰撞而产生的放电过程。

由于地球磁场的作用，太阳高能粒子到达地球时就向地球磁极靠拢，因此在地球上高磁纬地区能看到极光。极光的形态变化万千，颜色绚丽多彩。极光的每一次出现，都好似大自然恩赐给人类的一幅美丽画卷。凡是有幸亲眼目睹过极光的人都会在他们的脑海里留下终身难忘的印象。

地球上看极光：

在磁纬60°－70°的区域内，围绕地球南北磁极的两个圆环状地带。地球的北磁极在加拿大大境内。地球的磁南北极与地理南北极之间大约相距11°。高纬度地区出现极光现象较多。磁纬越低的地区，只是偶而能见到极光。

极光椭圆

在地球磁场的作用下，从太阳来的高能粒子不能沿磁极区的磁力线作螺式下降。太阳风从太阳携带来的磁场和地球场相互作用，放电过程是在以磁极为中心的圆形区域的边界进行的。极光发生在围绕磁极的一个近似椭圆形的环状区域。人们称之为极光椭圆。而不是在磁极区。

史书中记载

古罗马帝国时代偶然出现了一次极光。人们都认为是附近发生了大火灾，害得消防队员们忙了半夜，也没有找到火灾现场。

3，光谱观测

基尔霍夫光谱的三条定律

（1870年，德国物理学家基尔霍夫发现）

①炽热的物体发出连续光谱；

②低压稀薄炽热气体发出某些单独的明亮谱线；

③较冷的气体在连续光源前面产生吸收谱线。

太阳光谱研究

太阳光谱（连续谱、发射线和吸收线）可给出太阳大气的结构、物理状态、化学成分以及太阳活动的性质等。

太阳光经过棱镜后被分为七色光，波长从400nm---700nm(毫微米），这是太阳的连续谱。

吸收线：在太阳连续光谱的上面有许许多多的粗细不等、分布不均的暗黑线，共有2万多条。

发射线：在连续光谱上还有成千上万条明亮的谱线。

黑体辐射谱

是连续谱，其强度、分布和峰值由温度决定。太阳的观测曲线和5800K

的黑体辐射谱很相似，所以认为太阳光球的温度约为6000K。

能级、发射线、吸收线和电离

测量天体磁场的方法

塞曼效应：19世纪末物理学家发现在均匀磁场中，原子辐射产生的某一条发射谱线要分裂为两条或三条，分裂程度与磁场强弱有关。电子从高能级跃到低能级，发射一定频率的谱线。有磁场时，能级分裂导致谱线分裂，分裂程度与磁场