太阳活动总结

太阳活动总结

大量观测表明，太阳除了稳定的均匀地向四面八方发出辐射的同时，它的大气中的一些局部区域，有时还会发生一些存在时间比较短暂的活动事件。例如在太阳光球中比周围暗的的小区域--太阳黑子，和比周围明亮的区域--光斑；色球和日冕大气层中偶尔发生的有巨大能量释放的太阳爆发现象--太阳耀斑；突出于色球平均高度之上的形状奇特的太阳物质--日珥；在色球层中也可观测到比周围明亮的大片区域--谱斑。

一、太阳活动现象

1、太阳黑子：

太阳黑子是太阳光球上的活动现象，它们是可见光下呈现比周围区域黑暗的斑点状小区域。在各种太阳活动现象中最醒目也最容易观测的现象就是太阳黑子。我国史书上就有丰富的太阳黑子目视记录。自1818年开始有了比较常规的每日黑子观测，Heinrich Schwabe 通过1826至1843年间的日常黑子观测，首先发现了太阳黑子出现数量的11年周期性变化。黑子的观测特征有：

（1）黑子倾向于成对或成群出现，复杂的黑子群由几十个大小不等的黑子组成，每个黑子的大小自几百至几万公里。通常黑子群包含两个较大的主要黑子，按太阳自转方向﹐在黑子群西部的黑子称为"前导黑子"，相应的，在东部的黑子称为"后随黑子"。相比于后随黑子，前导黑子往往大都出现较早，消失较迟，寿命较长，面积较大，出现的纬度也较低，在日面上的分布也更紧密。

（2）黑子在日面上的分布存在明显的纬度分布的不均匀性：黑子群通常出现在赤道两边±8°至±45°之间的区域。黑子群出现的纬度变化呈现"蝴蝶图"：每个活动周期开始黑子出现在高纬区，然后逐渐走向低纬区（斯玻勒定律）

黑子的结构与形态：黑子由本影和半影组成。黑子中心区常有一块或几块特别黑暗的核心，称为本影，围绕本影的淡黑区域称为半影。由光度和光谱测量可知，本应温度约4000K至4500K，半影温度约为5500K。在高分辨率的黑子照片上可以看到，本影中有时会出现一些明亮的细沟，称为亮桥。如果照片曝光适当，将能看到本影中也存在米粒。

（3）太阳黑子的变化：黑子数量的平均变化周期大约为11年，在此期间黑子逐渐向赤道方向运动

2、太阳耀斑：

太阳耀斑是最剧烈的太阳活动现象。早先也称为色球爆发，指Hα单色光看到的太阳色球层谱斑中的突然增亮，而后来的多波段观测表明，同时还有从波长短于1?的γ射线和X射线到波长达几公里的射电波段间几乎全波段的电磁辐射增强，以及发射能量从103eV直到1011eV的各种粒子流及大规模的物质运动和抛射现象。其准确定义为：发生在太阳表面局部区域中突然和大规模的能量释放过程。

3、日珥：

日珥是日全食时或在色球望远镜中所看到的突出于太阳边缘色球之上的火焰状物体。日珥在日轮上的投影就成了暗条。在太阳边缘看到的日珥形状多样，厚度约为五千公里，高度一般为几万公里，长度可达一二十万公里，爆发日珥的高度有时也可达几十万公里。日珥的主体

部分在日冕中当中，底端与色球相连，有精细结构，一般由长条状纤维组成，其中的亮块称为节点。日珥分布广泛，除了中纬和低纬的黑子带日珥外，还有纬度超过40°的极区日珥。黑子带日珥的出现规律与黑子相似，依据11年周期；极区日珥则在黑子数极大过去3年后开始出现，持续到黑子极小期。

日珥大体可分为三类：（1）宁静日珥，其形状长期稳定，体积较大，寿命可达2~3太阳自转周，常出现于活动区发展的后期，也出现于高纬；（2）活动日日珥（黑子日珥或电磁日珥），出现在黑子群附近，其形状不断变化，物质非径向运动；（3）爆发日珥，某些宁静日珥或活动日珥会突然发生猛烈的爆发性膨胀或向外抛射，形成爆发日珥。

日珥光谱与色球相似，主要为发射线，从其发射线轮廓和宽度分析，日珥温度约7000K，湍流速度vt≈4km/s，电子密度ne=1010-1011cm3，日珥具有不对称的谱线轮廓。

二、理论解释

实际观测表明，太阳上到处存在磁场，而且许多太阳活动现象，例如太阳黑子的形成与演化，太阳耀斑的物理过程，日珥的形成与演化，以及太阳活动周的解释，和太阳高层大气的加热等，本质上是等离子体与磁场相互作用的结果。而描述磁场中导体运动规律，则需用考虑电磁力的运动方程、连续性方程、能量平衡方程、物态方程、麦克斯韦方程，广义欧姆定律以及感应方程构成磁流体力学基本方程组。

感应方程

感应方程表明磁场随时间的变化有两部分引起，方程右端第一项表示流体运动引起的感应电场产生的附加磁场对原磁场的影响，第二项表示有限电导率对磁场产生扩散衰减（欧姆衰减）。这两种过程分别可近似为，，二者之比即为磁雷诺数。表示磁扩散比导体流动快速，扩散占优；表明磁扩散慢于导体流动，也就是冻结。

太阳磁场的产生：太阳发电机理论

目前认为，维持周期性太阳活动过程的物理机制是太阳等离子体自身运动感应的磁场所表现的周期性现象。太阳上是连成一片的导电等离子体，并且永远处于短路状态，它能形成自激发电机的原理是什么呢？从观测上以及Babcock和Leighton的模型中可知，太阳活动周的主要特征是极向磁场与环向磁场之间的相互转换。极向磁场是指磁力线在子午面内，在球极坐标中只有r和θ分量而无φ分量的磁场；环向磁场则是指磁力线环绕太阳自转轴并且大致与纬度圈平行的磁场。例如极向磁流管由于太阳较差自转的同时由于磁冻结效应不断缠绕而变成环向磁流管，单位面积内磁力线数增加，磁通量增加，磁场增强，由于磁浮力和对流上升到太阳表面形成双极黑子。而表征环向磁场的双极黑子群的极性分离，扩散和对消，最终又变成新的极向磁场。因此，探索发电机理论的主要思路，就是在现有太阳速度场（主要是较差自转和对流）条件下，寻求可以实现极向磁场与环向磁场之间不断相互转化的磁场解。

磁冻结效应：

在面S与边界线C一起运动的过程中，它们的磁通量不发生变化，意味着磁力线系与流体一起运动，这就是磁冻结效应。

磁扩散与耗散

当等离子体的磁雷诺数Rm很大时，磁场与等离子体将被冻结在一起，空间某一固定点的磁场变化只能通过等离子体流动产生。反之，若电导率σ不太大，而磁场梯度很大，即使流体不动，磁力线也会相对于流体扩散。磁场扩散意味着产生磁场的电流系统的衰减，从而使磁场耗散于Joule热。因此扩散与消耗是因果关系。电流或磁场的衰减时标是，磁扩散率，电导率。

磁湮没和磁重联以及其热效应

计算表明，太阳上磁场扩散最显著的区域，除了光球中的温度极小层之外，就是黑子本影区。这些区域的温度只有4000K，其σ只有光球中处的几百分之一。而且在磁场梯度较大（如黑子本影区）和压力较大的区域，往往存在等离子体湍流，出现反常电阻，等效于进一步减小σ，从而增加扩散。此外，在原有黑子附近，若有新磁流浮现，有时会产生磁力线反平行的薄片区，称为磁中性片或电流片。当等离子体从两侧流向电流片，并沿着电流片逸走时，被带到电流片的磁能将被耗散，其中一部分转化为Joule热，另一部分转化为等离子体动能。前者称为热耗散，后者称为动力耗散。电流片有时也称为磁场反转区，它包括中心部分的磁力线重联区和外围的磁场扩散区两部分。在电流片外，磁场是冻结的。在电流片内，耗散效应与对流效应同时起作用（因其雷诺数接近1）。对于太阳上得情况计算表明，电流片的厚度大约只有几十公里（太阳耀斑区的电流片可能只有几十米），而电流片的密度却非常大。当冻结在等离子体中的磁力线从两侧向电流片运动到耗散起作用的扩散区后，磁力线将扩散，形象的说，就是一条磁力线变成了一片，通常称为磁力线湮没或磁湮没。这样，一条磁力线到了扩散区将被断开，过了扩散区，断开的磁力线又会与对面来的断开的磁力线重新连成一条磁力线，通常称为磁重联。重联后磁力线随等离子体向上下两个方向逸出扩散区。见下图1

图1.磁湮没与磁重联，阴影为重联区，其周围为扩散区

从磁湮没到磁重联的过程，有时合并称为磁吞并。由于扩散区的耗散作用，重联区的磁场比外面的磁场弱，所以在吞并过程中，等离子体是由强磁场区向弱磁场区运动，结果使磁能转化为热能和等离子体动能。磁湮灭和磁重联过程导致磁能转换为热能和等离子体动能的同时，也造成磁场位形的变化和衰减。因此它是产生黑子群缓慢演化的原因之一（其它原因包括如磁流管下沉和随太阳风带走等）。同时，通过调整磁湮没和磁重联的速率和规模，该理论还被广泛应用于解释爆发日珥和耀斑，以及日冕物质抛射等更剧烈的现象。