Download
1 / 50
500 likes | 677 Views
第六章、光球活动和磁场. 本 章 内 容. 6-1 、 太阳活动区 6-2 、太阳黑子的观测特征和分类 6-3 、光斑、谱斑和小尺度磁场 6-4 、太阳活动起源与发电机理论. 6-1 太阳活动区. 主要的太阳活动现象. 黑子、光斑、谱斑、日珥（暗条）及日冕凝聚区等结构。 太阳光谱的极紫外、紫外、 X 射线和射电辐射的渐进或爆发式的增强。 太阳等离子体的运动和抛射以及高能粒子的加速等。. 活动区： 太阳各种活动现象集中的强磁场区域。磁能的存储和释放，以及磁场的拓扑结构控制着不同的活动现象。. 典型活动区的发展史.
E N D
本 章 内 容 6-1、太阳活动区 6-2 、太阳黑子的观测特征和分类 6-3、光斑、谱斑和小尺度磁场 6-4、太阳活动起源与发电机理论
主要的太阳活动现象 • 黑子、光斑、谱斑、日珥（暗条）及日冕凝聚区等结构。 • 太阳光谱的极紫外、紫外、X射线和射电辐射的渐进或爆发式的增强。 • 太阳等离子体的运动和抛射以及高能粒子的加速等。 活动区：太阳各种活动现象集中的强磁场区域。磁能的存储和释放，以及磁场的拓扑结构控制着不同的活动现象。
典型活动区的发展史 • 1天：日面出现一个亮点，H纤维的系统排列，出现光斑和谱斑，小黑点在谱斑中出现。 • 2天：小黑点发展为前导黑子。 • 3天：黑子半影出现。 • 4-5天：极性相反的后随黑子出现，形成黑子群。第一个耀斑爆发。光斑和谱斑的亮度和区域不断扩展。 • 2周：黑子群发展到最大阶段，太阳活动最显著。 • 4-5周：黑子逐渐消失；谱斑区域继续扩大；耀斑稀少；暗条出现。
典型活动区的发展史 • 2个月：遗留的前导黑子消失；光斑区域的亮度减小；磁场分布极不规律；暗条不断增大，近似东西向排列。 • 3-4个月：光斑区域消失；磁场强度继续减小；暗条达到最长，基本平行于赤道。 • 5-6个月：活动区磁场仍可测量，逐渐消失在太阳大尺度磁场中；暗条仍可见，最后移向极区或分解、爆发消失。
一、太阳黑子的形态和结构 • 单个黑子 半影 本影 亮桥
一、太阳黑子的形态和结构 后随黑子 前导黑子 • 黑子群 东 西
一、太阳黑子的形态和结构 • 发展过程、寿命 • 形态由简单变复杂，再变简单 • 寿命：短的1-2天，长的几个月，一般10-20天 • 黑子是活动区的核心和最明显标识。
二、黑子群的分类 • 黑子群的磁分类
二、黑子群的分类 • 黑子群的楚里士分类 不考虑黑子磁场的性质，仅根据黑子形态结构的复杂性，进行分类。
三、黑子的磁场分布 r0: 黑子半径 北京怀柔观测台观测的黑子磁图
(a) (b) 太阳黑子的磁场模型
四、黑子磁场的形成和衰减 光球 光球 (a) 磁通量管上升前 1、黑子及太阳强磁通量管的形成。 • 磁浮力。 (b) 磁通量管上升后 在水平方向上，磁通量管内外压力平衡，导致等离子体管内密度小于管外密度，管获得一向上的浮力。
四、黑子磁场的形成和衰减 1、黑子及太阳强磁通量管的形成。 • 磁浮力。 • 对流涡旋的磁驱逐。 在光球层，由于冻结效应，并且等离子体的比较高，超米粒元胞的对流速度场将把磁场扫荡驱逐到元胞边界的汇聚流中心，在元胞边界形成强的磁通量管结构。
四、黑子磁场的形成和衰减 磁通量管中的对流塌缩不稳定 1、黑子及太阳强磁通量管的形成。 • 磁浮力。 • 对流涡旋的磁驱逐。 • 磁通量管的对流塌缩。 如果磁通量管中的温度梯度超过绝热变化的温度，将导致对流不稳定性。如果磁通量管中的等离子体主要体现为向下的运动，不稳定性将会使管中的等离子体被逐渐抽空。为了维持管内外的压力平衡，磁场必然向管内收缩，导致通量管磁场强度的增强。
四、黑子磁场的形成和衰减 2、黑子磁场的衰减。 • 磁流管缩回到光球下面。 • 随太阳风抛射到行星际空间。 • 磁能转化为热能和物质运动动能而耗散掉。 • 磁场的扩散和运动输运。
五、Wilson效应和凹陷 • 对一个对称的黑子，当它在日面边缘时，其靠近日面边缘的半影宽度比远离边缘的半影宽度要宽。
日面边缘 半径 半径 • 物理解释： 在日面中心观测到的黑子光深=1对应的几何深度随黑子半径的变化。 在日面边缘的情况
六、黑子的活动规律和周期 • 黑子的相对数与太阳活动周期 1848年Wolf首先提出用黑子相对数来表示日面可见半球黑子多寡，其定义为 R = K (10 g+ f ) 其中g和f分别表示当天观测到的日面上出现的黑子群和黑子数，K为换算因子。
Maunder极小期 黑子活动周期：11年
六、黑子的活动规律和周期 2. Hale极性定律 在同一活动周中北半球双极黑子群的前导黑子与南半球的后随黑子为同一极性；北半球双极黑子群的后随黑子与南半球的前导黑子为同一极性。在下一活动周，南北半球双极群的极性顺序发生变化。
六、黑子的活动规律和周期 3. Sporer定律和Maunder蝴蝶图 • 日面出现黑子群的平均纬度随太阳活动周的进程而变化。
一、光斑 • 光斑：用白光观测光球时，在黑子周围看到的一些比宁静光球明亮的小片区。
一、光斑 • 位置：在日面0.6R <r < 1R的边缘区域，增亮5-10%。 • 精细结构：由大量直径小于1``的亮元组成。在活动区附近的亮元非常密集，形成光斑亮区；在活动区外，亮元稀疏分布成网络状，形成光球网络，它们与光球磁场网络对应。 • 磁性质：至少在1``的尺度上，光斑亮点与磁图中的磁元在位置上是对应的。 • 温度、密度： 相同光学深度： （T, ) 光斑> （T, ) 光球 相同几何深度： （T, ) 光斑< （T, ) 光球,(维持内外压力平衡)
二、谱斑 • 谱斑：用色球的发射线观测色球时，在单色像上看到的大片亮区，是光斑向上的延伸。 磁性质：与中等强度的磁场伴生（20-200Gauss) 。 增亮原因：非辐射能的耗散加热。
三、小尺度磁场 • 小尺度磁场：尺度小于超米粒组织大小的磁场结构。 • 三种：瞬现活动区；网络场；网络内场
太阳活动的起源问题，实质上就是太阳表面磁场的起源及其规律性的解释问题。太阳活动的起源问题，实质上就是太阳表面磁场的起源及其规律性的解释问题。 • 观测：Babcock于50年代观测发现 • 太阳两极存在微弱的磁场；南北极性相反；在太阳活动高年，南北极性反转。 • 双极活动区的前导和后随黑子（群）的磁流几乎相等；活动区磁场依靠扩散减弱，存在前导部分向赤道扩散，后随部分向极区扩散的倾向。
Babcock-Leighton学说 本质：太阳偶极磁场与太阳较差自转的相互作用。 (1)、太阳活动极小期的前3年(n=-3)。 太阳表面只在两极存在微弱的偶极场，在其它纬度，磁场仅存于太阳外壳层中。
(2). 从极小年前3年到极小年(n=-3至n=0)。 由于太阳大气的较差自转，将偶极场的磁力线拉伸，磁场强度逐渐增强。
(3). 磁流管升浮成为黑子(n=0至n=11)。 当磁场强度达到临界值时，由于磁浮力，磁流管开始上浮。当他们到达太阳表面时，成为一个双极黑子。 临界值： 黑子出现的纬度：
(4). 偶极场的极性反转(n=0至n=8)。 双极活动区的后随部分向极区扩散，前导部分向磁道扩散，导致原来偶极场的逐渐被中和，并形成极性相反的新偶极场。
可以成功解释的现象： • Sporer纬度迁移定律； • Hale极性定律； • 黑子相对数的变化规律； • 偶极磁场极性的反转； • 大部分黑子群为双极群； • 黑子群基本沿东西延伸且前导部分靠近赤道； • 双极黑子群前导部分和后随部分的磁通量相等； • 黑子群磁场的扩散。
运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应 • 太阳发电机理论，就是在现有的太阳速度场（ 主要是较差自转、对流以及子午环流等）条件下，寻求可以形成极向磁场和环向磁场之间可以不断相互转化的磁场解。 • 20世纪50年代到60年代，人们对运动学发电机理论进行了深入的研究，其目的在于寻找可以产生稳定磁场或增长磁场的速度场。之所以叫“运动学发电机”，是因为流体速度场是事先给定的，然后要问：在这样的流场中，一个初始磁场是随时间减小到零呢？还是增长到无穷大？抑或保持不变？它不要求速度场满足流体动力学方程，因而不考虑磁场对速度场的反馈作用。这意味着，一个随时间增大到无穷的磁场解，对于运动学发电机来说，也是一个合理的解。
运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应 • 一些基本的科学概念往往是借助于简单而本质性的物理图象，通过合理的逻辑推理而得到的。在真正动手求解复杂的方程组之前，构想这样的概念是非常重要而有用的，它可以使人们事先对结果有一个大致的估计。 • 在运动学发电机理论中，“效应”和“效应”就是借助“冻结磁力线”这一直观的物理图象所得到的重要概念。前者给出极型磁场通过流体的差动旋转而产生环型磁场的机制，后者给出环型磁场(或极型磁场)通过流体的对流和地转作用产生极型磁场(或环型磁场)的机制。以这两种过程为基础，构成了“发电机”、“2发电机”、“2发电机”等重要的运动学发电机类型。
运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应 • 效应 • 假设太阳中有一个极型磁场，由于太阳的较差自转，极形磁场的磁力线将被差动旋转的运动流体拖动而偏离子午面，在极形场之外又产生了一个环型场。这就是“效应”。
运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应 • 效应 • 与效应相反的另一种效应叫“效应”，其来自于径向的对流场和科里奥利力的作用。通过这种效应，既可由环型场产生极型场，也可由极型场产生环型场。
反发电机定理 如果速度场只有环型场，则 ,上式变为扩散方程， 磁场的径向分量 将按指数衰减，而极型磁场必须有径向分量。 但是，不存在普遍的反发电机定理。 并不是所有的流体运动形式都能够维持发电机的过程，如：一个纯环型速度场并不能产生极型磁场。
Dikpati, Mausumi& Charbonneau, Paul,ApJ,1999 (a) Shearing of poloidal field by the Sun's differential rotation near convection zone bottom. The Sun rotates faster at the equator than the pole. (b) Toroidal field produced due to this shearing by differential rotation. (c) When toroidal field is strong enough, buoyant loops rise to the surface, twisting as they rise due to rotational influence. Sunspots (two black dots) are formed from these loops. (d,e,f) Additional flux emerges (d,e) and spreads (f) in latitude and longitude from decaying spots. (g) Meridional flow (yellow circulation with arrows) carries surface magnetic flux poleward, causing polar fields to reverse. (h) Some of this flux is then transported downward to the bottom and towards the equator. These poloidal fields have sign opposite to those at the beginning of the sequence, in frame (a). (i) This reversed poloidal flux is then sheared again near the bottom by the differential rotation to produce the new toroidal field opposite in sign to that shown in (b).
