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何谓太阳活动极大?
即太阳活动最频繁的时期。
与太阳活动极大相对的,是太阳活动极小,即太阳活动最宁静的时期。
太阳活动极大与极小呈周期性变化,变化周期约为11年。
“尤里西斯”前两次穿过太阳极区时,对应于太阳活动下降期,接近于太阳活动极小,后两次穿过太阳极区时,接近太阳活动极大。
太阳之谜
温度之谜:
1869年,日冕高温首次被发现。
这一年发生了日全食,天文学家在观测日食时,无意间发现日冕光谱里多了一个“新成员”,被称为“冕绿线”。
这是一个“怪人”,除了在那次日食中偶露“真容”后,任凭人们在地面上怎么寻找,它都不再露面。
这个“怪人”究竟是谁?
人们一无所知。
直到1933年,蛇夫座里出现了一颗爆发星,天文学家在观测它时,无意中又见到了那个“怪人”。
经过深入研究才知道。
它原来是丢失了13个电子的铁原子。
要让铁原子丢失13个电子。
日冕温度必须高达百万摄氏度。
这个数字令人咋舌!
我们知道,从太阳内部到色球中部,温度是逐渐降低的,色球中部的温度最低处只有4500℃左右。
而日冕位于色球外面。
日冕温度怎么会高达百万摄氏度呢?
射电天文望远镜诞生后,美国射电天文学家索思沃思用射电天文望远镜观测太阳并证实。
太阳边缘的温度高达百万摄氏度。
得到射电观测的印证之后,人们才相信日冕确实具有100万℃的高温。
(从现在的观测结果来看,日冕温度甚至高达200万℃!
)
是什么将日冕加热到了如此高温呢?
50多年来,这个问题一直困扰着天文学家。
时至今日仍然是个谜。
现在,“尤里西斯”又提出一个新的温度之谜:
太阳两极温度为何不对称?
科学家猜想太阳温度是一种磁现象。
至于太阳磁场究竟是怎样加热日冕的,目前还没有答案。
太阳风速与日冕温度成反比之谜:
“尤里西斯”的观测结果显示,不管是在太阳活动极大(2021年)时。
还是在太阳活动极小(1995年)时。
太阳风速与日冕温度都呈相反的变化。
换句话说。
日冕温度高的时候。
太阳风速低:
日冕温度低的时候。
太阳风速高。
这个观测结果与上世纪50年代美国芝加哥大学的帕克教授提出的理论截然相反。
帕克认为,太阳磁场由太阳表面径向“射”出,呈螺旋形向外延伸。
旋转是由太阳自转造成的。
在日冕的百万摄氏度高温下,日冕物质全部变成等离子体并向外膨胀,还不断地向外抛射“粒子流”。
形成所谓的“太阳风”。
因此,太阳风是高温日冕气体膨胀的结果。
按照这个理论。
温度越高,太阳风速应当越大。
帕克理论是一个经典理论。
是目前太阳风预报的理论基础。
那么,“尤里西斯”的观测结果又意味着什么呢?
这个问题现在还无法回答。
磁场结构之谜:
位于太阳南极上空的“尤里西斯”观测到。
2021年12月5日、6日和13日,在太阳赤道附近爆发了一组太阳风暴。
其中12月6日那次特别强烈。
按照帕克磁场模型,爆发产生的高能粒子由磁力线引导,沿磁场传播,应该被束缚在太阳赤道附近,怎么会跑到太阳南极以至于被“尤里西斯”探测到呢?
显然,帕克磁场模型并不完全符合真实情况。
真实情况或许是:
太阳磁场含有复杂的扭曲和卷绕。
为高能粒子提供了一条从赤道通向两极的通道。
这种猜测不无道理。
在2000~2021年最近一个太阳极大期间,“尤里西斯”一共测量到了6个太阳风暴,其磁场全部被卷绕。
完全不是帕克结构。
未解“太阳之谜”
2021年2月,美国宇航局宣布:
太阳南北两极的温度不一样。
这个消息令科学家们惊讶不已。
众所周知,在地球上,由于南北两极的陆地面积不同,大气环流不同,所以在南北极之间存在温度差异。
但是,太阳是一个气体星球,外面包围着厚厚的大气层,并不存在陆地面积差异,太阳两极为什么会有温度差呢?
科学家是根据“尤里西斯”最近传回的探测资料得出这个结论的。
1994~1995年,当“尤里西斯”第一次飞近太阳南北极时,它发现在太阳两极之间存在7%~8%的温度差。
由于当时一些科学家不能接受这个结论,所以一直没有对外公布。
2021年,“尤里西斯”再次飞近太阳南极,它探测到的情况与12年前相符,证明太阳两极的确存在温度差异。
“尤里西斯”是第一艘、也是迄今唯一飞越太阳极区的飞船,这使它成为科学家不可多得的研究太阳的绝佳工具。
“尤里西斯”一个接一个的惊人发现大大开阔了科学家的眼界,但同时也带来了新的谜题,使人们不得不重新认识太阳。
神秘的“高温世界”
传说,古时候确有一个贪婪的人看着金光闪闪的阳光,心想太阳说那个—定有很多黄金。
他对一只好吃的大鸟说:
“太阳上有很多好吃的东西,还有很多金子。
你把我驮到太阳上去,吃的全归你,我只要金子。
你去不去?
”大鸟同意了,于是这个人骑着大鸟向太阳飞去。
他们飞出地球,穿过金星轨道,飞过水星,到达太阳附近。
可是,没等他们最后抵达太阳,强烈的太阳辐射就把他们烧死了,留下“人为财死,鸟为食亡”的故事警示后人。
太阳是一个气体星球,也是一个高温世界。
在太阳内部,温度高达1500万℃,在那里一刻不停地发生着热核反应,产生能量,并通过对流(物理学上传递能量的一种方式)变成光和热向外辐射,为地球及太阳系其他天体提供能源。
太阳外部是大气,分为光球、色球和日冕三层,其中日冕的温度高达百万摄氏度。
在这样的高温下,任何飞行器都接近不了太阳,更不可能把温度计放到太阳上去进行测量。
那么,“尤里西斯”是怎样测量出太阳极区温度的呢?
原来,“尤里西斯”上有一台频谱仪,专门用于测量太阳风的离子成分(原子丢失核外电子就成了离子),它能在距离太阳3亿公里处获取太阳风样品。
太阳风中有两种氧离子,一种是丢失了6个电子的O<
sup>
6+<
/sup>
,一种是丢失了7个电子的O<
7+<
。
利用频谱仪测量出O<
和O<
之比,就能知道太阳风的温度。
频谱仪观测表明,极区太阳风的温度约为100万℃,一个太阳极区的太阳风的温度大约比另一个极区低8万℃。
作为一个天体,太阳两极存在温差并不奇怪,奇怪的是太阳两极形成温差的原因颇为蹊跷。
地球南北极温差是由两极地区的陆地面积不同和复杂的大气环流造成的,太阳是一个气体星球,外面包围着厚厚的大气层,并不存在陆地面积的差异,是什么原因使得太阳两极温度出现差异呢?
答案或许隐藏在“尤里西斯”的两个观测结果中。
第一个观测结果是:
太阳的磁场有正极和负极之分,正极又叫s极,负极又叫N极。
值得注意的是,太阳磁场的正负极会发生反转,即s极可转变成N极,N极可转变成s极。
“尤里西斯”发现,当太阳两极的磁场发生反转时,太阳“较冷区域”会随N极的极性转变而转变。
第二个观测结果是:
自1994年以来,受太阳活动的影响,太阳磁场的极性出现了反转,而太阳极区的温度差异也出现了反转。
综合这两种情况,科学家认为,太阳极区的温度差异应该是一种磁现象。
太阳是太阳系唯一的恒星,用它的光和热为地球带来光明和温暖。
但是,太阳在对地球广施恩惠的同时,也给地球带来了许多烦恼。
太阳的是非功过科学家自有评说。
随着“尤里西斯”对太阳观测的继续进行,人类对于太阳的认识无疑会更加深刻。
太阳结构
太阳的外层大气,分为光球、色球和日冕三层。
光球是我们看到的圆圆的红日,它是太阳大气的最里层,温度为6000℃,太阳光就是从这里发射的,太阳黑子也出现在这里。
色球是中间层,温度为4800~8000℃,这里是太阳活动的“中央舞台”,许多太阳活动都发生在这里。
日冕是最外层,拥有上百万摄氏度的高温。
日冕的温度为什么这么高?
至今还是一个谜。
日星物质极其稀薄,不仅肉眼看不见,就是用望远镜也观测不到。
只有在日全食期间,当日面上的光辉被月球全部挡住时。
才能在月影周围见到它的淡淡辉光。
观测日冕的方法有两种,一是在日全食期间观测。
二是用特殊的仪器——日冕仪观测。
在日全食期间拍摄的日冕照片上,很容易看到日冕形状同太阳活动水平有关:
在太阳极大(即太阳活动水平最高)时,日冕呈圆形;
在太阳极小(即太阳活动水平最低)时,日冕呈椭圆形,赤道附近被拉长,两极地区较短,并有羽毛状光芒。
这表明太阳两极地区有点特殊。
日冕由于具有极高温,所以里面的物质全部被气体化了,变成一种叫“等离子体”的特殊物质。
通常,物质只有固态、液态和气态三种变化状态,等离子体则被称为物质的第四态。
等离子体主要由带正电荷的质子和带负电荷的电子组成,正负电荷数基本相等。
日冕分为内冕和外冕。
内冕是色球外面的太阳大气。
外冕在内冕外边,是太阳大气向外延伸的部分,在行星际空间形成“日球层”。
日球层是被太阳风“拖”到空间的广大“磁瓶”,定义为太阳影响的范围。
根据两艘“旅行者”飞船的探测。
日球层从太阳延伸到地球,延伸到土星轨道以外,甚至达到翼王星附近。
狂暴的太阳
太阳黑子
从望远镜里看,黑子是璀璨日面上的暗黑斑点却没有发现“水内行星”的踪影但是。
他在分析这些资料时惊异地发现,每年在太阳上出现黑子的数目和面积都不相同。
而且呈周期性变化也就是说,在某一年份,黑子数目很少。
面积也很小:
然后,黑子的数目和面积逐年增加,4~5年后双双达到最大:
之后,它们又开始逐年减少,在4~5年后变到最少和品小,完成一个变化周期如此周而复始1843年,施瓦贝把自己的发现写成论文,寄给当时德国颇有名气的“天文通报”,但德国天文界对这项发现不以为然。
并未将它发表直到9年后,德国著名学者洪堡德主编的巨著《宇宙》问世,里面介绍了太阳黑子及其周期性变化,施瓦贝的发现才与世人见面现在人们所说的太阳活动的11年周期,就是由这个发现得来的。
在施瓦贝的发现公布后,英国天文学家卡林顿也开始研究太阳黑子他以黑子出现的时间为横坐标,黑子所在的太阳纬度为纵坐标,制作了太阳黑子的时间纬度分布图,因为图上的黑子犹如一群蝴蝶在花丛中飞舞,又被叫做“蝴蝶图”卡林顿的“蝴蝶图”告诉我们,太阳黑子的平均纬度分布也有11年的变化周期:
在一个周期开始的时候,黑子的平均纬度在35度附近。
这时黑子数目很少;
随着时间推移,黑子位置越来越接近赤道,黑子数目越来越多:
在太阳活动极大年份,黑子的平均纬度为15度;
在一个周期结束的时候,黑子的平均纬度在8度附近、太阳黑子的纬度分布规律告诉我们。
太阳活动与太阳纬度有着密切关系。
因此,应当详细了解各个太阳纬度的情况,这也正是“尤里西斯”被派往太阳极区的原因之一。
太阳磁场与冕洞
磁场是一种奇怪的物质,无色,无味,虽然看不
见也摸不着,但却真实存在磁场的存在可以由磁铁吸引铁屑来证明:
在盘子里放一块马蹄形磁铁,把一些铁屑撒在磁铁周围,轻轻敲击盘子,铁屑很快就会在磁铁周围形成一个个同心圆,这些同心圆描绘了磁力线的方向。
圆形磁力线表明马蹄形磁铁的磁场是封闭的,这种磁场叫“封闭磁场”、如果将马蹄形磁铁换成长条形磁铁,铁屑描述的磁力线将从磁铁两端向外无限延伸。
并不闭合。
形成开放的磁力线,这种磁场叫“开放磁场”。
太阳极区磁场属于开放磁场,它的磁力线首尾不相接,一端“铆”在极区的冕洞里,另一端沿着日球层伸展到行星际空间冕洞是指日冕上辐射比较弱的区域,这里的亮度比周围区域弱得多。
1957年,苏黎世天文台的瓦尔德迈尔把“(日冕上)那些辐射总比别的区域弱的地方”叫做“洞”。
因为这些“洞”位于日冕上,所以称为冕洞。
冕洞是“神秘”的区域,它像灯塔一样,每当它转向地球时。
地球上就发生磁暴。
因为英文单词“神秘”的第一个字母是M,所以冕洞又称为M区。
现已知道,冕洞之所以“神秘”,是因为它那里的磁场是开放磁场,引起地球磁暴的太阳风就是从它那里“欢”出来的。
太阳风
太阳风是从日冕抛向行星际空间的带电粒子流,粒子的成分主要是带正电荷的质子和带负电荷的电子,其他的粒子很少,、有趣的是,太阳风中粒子的正负电荷基本相等,所以称为等离子体除了等离子体以外,在太阳风中还有磁场由于这里的等离子体经磁场“处理”过,所以是磁化等离子体这些磁化等离子体被抛离太阳后。
像云一样被“畋”进行星际空间,所以被称为磁化等离子体云现已知道。
太阳风有宁静太阳风和扰动太阳风两种前者来源于冕洞,是高温日冕物质不断膨胀的结果,它们在地球附近的速度是每秒350~450公里:
后者来源于太阳风暴,是太阳爆发活动的产物,在地球附近的速度是每秒1000-2000公里连接太阳磁极正极和负极(S极和N极)的轴。
叫“磁偶极轴”磁偶极轴的方向与太阳活动水平有密切关系:
太阳活动极小时,磁偶极轴与太阳自转轴方向一致,与太阳赤道面垂直:
太阳活动极大时,磁偶极轴和太阳自转轴垂直,与太阳赤道面平行当太阳活动从极大走向极小时。
磁偶极轴由垂直于太阳自转轴逐渐变成平行于太阳自转轴。
磁偶极轴的方向直接关系到太阳活动对地球的影响太阳风沿太阳磁偶极轴方向往外“吹”当太阳磁偶极轴与太阳自转轴方向一致时,也就是太阳活动极小时。
太阳风“吹”出的方向垂直于太阳赤道面,由于地球位于太阳赤道面附近,所以它“吹”不到地球上来,这时地球上比较平静;
当太阳磁偶极轴与太阳自转轴相互垂直时,也就是太阳活动极大时,太阳风“吹”出的方向与太阳赤道面平行,这时地球经常受到太阳的骚扰,从冕洞里出来的太阳风沿着开放磁力线“吹”到地球附近,“吹”到土星以外,甚至“吹”到翼王星附近,影响地球、土星甚至整个太阳系的“气候”由于这种影响是太阳自转造成的,而太阳每27天自转一圈,所以这种影响也有27天的周期性在太阳自转过程中,当极区冕洞转向地球或太阳系其他天体时,从冕洞里“吹”出来的高速太阳风就扫过地球或其他天体因此,太阳风就像一座灯塔,照耀着地球及太阳系其他天体,准时“点亮”,按时“熄灭”每当这个“灯塔”被“点亮”时,地球上就“怪市”连连。
1859年9月1日上午。
英国天文学家卡林顿走进观测室。
打开天窗观测太阳黑子,忽然他眼前一亮:
黑子周围闪出两个耀眼的光点,急速地向着一个方向移动当他仔细看时,亮点却悄然消失,前后时间大约5分钟令人奇怪的是,就在这个时候,欧洲许多地磁观测站都记录到地球磁场发生了剧烈变化,用来指示南北方向的罗盘和指南针的指针跳个不停当天夜幕降临时,在欧洲北部和北美大部分地区的天空中,出现了色彩缤纷的极光,或红或绿,或紫或黄,像天鹅绒一样不停地飘飞,美丽极了!
2021年6月8日,加拿大北极地磁观测站突然与外界失去联系,连手机都打不出去经查,是电离层出了问题,次日凌晨3—4时,我国满洲里、长春和兰州上空的电离层也出现了“异常”;
9时,我国南方地区的电离层出现“功能下降”。
1956年2月23日,一艘在格陵兰海域游弋的英国军舰突然与岸上失去联系,任凭岸上电台怎么呼叫都无回音。
人们以为军舰出事沉没了,家属们哭得死去活来。
可是,在人们为“死难者”;
佳备葬礼时,军舰突然平安地回到了军港,惊得岸上的人目瞪口呆
这桩桩“怪事”发生在地球周围,根源却在太阳,“怪事”的始作俑者除了太阳风中的高能带电粒子外,太阳风暴带来的辐射和宁静太阳风中的粒子也脱不了干系。
太阳风暴
太阳风暴是一种激烈的太阳活动,常与激烈的黑子活动、太阳耀斑和日冕物质抛射相伴而生出现太阳风暴时。
地球周围会发生许多地球物理现象,如磁暴、极光、电离层扰乱等太阳风暴是一种破坏力很大的空间天气现象,对国民经济建设、科学研究和国防都有重要影响,因此天文学家和空间科学家十分关注它。
2021年12月,太阳上发生了3个太阳风暴12月5日,太阳东部边缘突然出现一个剧烈运动的巨大黑子,产生了一次很强的x射线爆发在×
射线闪耀时刻,位于黄道上的空间观测仪器记录到了冲击波。
1分钟后。
从爆炸区喷出一股带电粒子云,猛烈地射到位于太阳南极上空的“尤里西斯”飞船上。
12月6日和13日,同样的情形又出现了两次,而且每次爆炸都产生了高能粒子云、这3次爆发都非常强烈,如果地球当时位于“尤里西斯”所在的地方,太阳风暴产生的带电粒子将穿越地球大气,眼中骚扰地球。
事实上,太阳风暴既发射大量带电粒子流,又发射多种电磁波。
电磁波经过8分19秒来到地球,带电粒子流则由于速度不同,到达地球的时间不一样,最迟的要1-2天才能到达。
这些由“阿波罗神”(太阳的别称)派来的“天兵天将”在到达地球附近后“舞枪耍棍”。
搅得地球不得安宁幸好地球是一个大磁体,其周围由磁场形成了一个巨大的磁层,成为抵御太阳辐射和宇宙线的天然屏障。
一般的太阳辐射和宇宙线统统都被它挡在“门”外因此。
在大多数时间内我们都可以高枕无忧,不受太阳辐射和宇宙线的袭扰但是,当发生巨大太阳风暴时。
高能太阳辐射就可能突破这层“防线”,来到地球附近前面列举的种种“怪事”,就是太阳辐射骚扰的结果。
太阳辐射骚扰过程,首先是扰乱电离层,电离层是短波无线电波的反射器,电离层被扰乱了,短波无线电波自然就传播不出去,短波通信就会遭到破坏其次,太阳辐射骚扰产生地球物理效应一些带电粒子进入地球磁层后,沿着地磁场向南北极跑因为移动的电荷会产生磁场,所以沿地磁场移动的带电粒子会产生一个附加磁场,加到地球固有的磁场上。
干扰地球磁场,以至于发生磁暴带电粒子到达地球两极地区后,向地面沉降,在沉降过程中与大气分子和原子碰撞,产生五彩缤
纷的极光,而对输电线路、输油和输气管道等的破坏。
主要是由带电粒子的电场产生的上述“怪事”的物理过程被称为“日地效应”。
产生这种效应的太阳风被称为“扰动太阳风”,是在太阳活跃时期喷射出的粒子流,它在地球附近的风速是每秒1000~2000公里。
还有一种太阳风称为“宁静太阳风”或“持续太阳风”,对地球的影响不是很大,它在地球附近的风速为每秒350~450公里。
太阳辐射有电磁辐射和粒子辐射两种,所谓太阳粒子指的是太阳发射的带电粒子,其成分主要有质子和电子,也有a粒子(氦核)等少量其他原子核,太阳粒子平时很少出现。
一般出现在太阳活动时间。
太阳活动激烈时,辐射出大量太阳粒子,这些粒子都带有一定的电荷和能量携带较大能量的粒子被称为“高能带电粒子”。
所谓“宇宙线”指的是来自宇宙空间的带电粒子。
其成分与太阳粒子相同。
即主要有质子、电子,其次是a粒子等少量原子核,一般把太阳系以外来的带电粒子统称为宇宙线,银河宇宙线是指来自银河系的宇宙线,
并非只有汹涌的太阳风和磁化等离子体云才会影响太阳系的“气候”,在太阳系周围呼啸的银河宇宙线和太阳高能粒子都可能带来麻烦,这两种粒子都具有异常强的穿透力,能破坏卫星微电子线路,并对人体细胞中的DNA造成伤害。
银河宇宙线是由星际空间进入太阳系的。
“尤里西斯”检测表明,太阳极大时,太阳磁场拦截的宇宙线比太阳极小时多30%,而且在所有日球层纬度上,宇宙线的减少都类似、这是一个出人意料的结果,
在太阳高能粒子研究上,“尤里西斯”有一个重要发现:
太阳高能粒子主要起源于太阳黑子或黑子群,太阳活动周期开始时,太阳活动主要位于太阳中、高纬度(平均在35度左右),而后慢慢往赤道迁移:
在太阳极大时,太阳活动主要集中在赤道附近。
在“尤里西斯”之前,科学家不可能看到太阳活动周期开始时在高纬度区域产生的粒子,他们一般假设这些区域发射的危险粒子到达地球的时间要滞后一点。
但“尤里西斯”却在太阳极大(即太阳黑子位于赤道附近)时,在赤道上出现太阳活动后很短时间内,在高纬度上测量到这些粒子也就是说,粒子穿过纬度的运动快到了不可思议的程度,如果它们可以从赤道运动到两极,那么同样也可以从两极运动到赤道据此不难想象,几乎一切区域产生的太阳粒子都可以影响地球。
(本文图片由美国宇航局、欧洲空间局提供)
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