太陽黑子[太陽的暗黑斑點]

太陽黑子[太陽的暗黑斑點]

太陽黑子是太陽光球上的臨時現象,它們在可見光下呈現比周圍區域黑暗的斑點。它們是由高密度的磁性活動抑制了對流的激烈活動造成的,在表面形成溫度降低的區域。雖然它們的溫度仍然大約有3000-4500K,但是與周圍5,780K的物質對比之下,使它們清楚的顯視為黑點,因為黑體(光球非常近似於黑體)的熱強度(I)與溫度(T)的四次方成正比。黑子的活動周期為11.2年,通常群體出現,活躍時會對地球的磁場產生影響,會造成惡劣天氣,使氣候轉冷。嚴重時會對各類電子產品和電器造成損害。

基本信息

活動周期

太陽黑子太陽黑子
太陽黑子是太陽表面因溫度相對較低而顯得“黑”的局部區域。中國是世界上最先發現黑子的國家,早在中國古代,當時的中國人就已發現了黑子的存在。在漢書五行志中說漢成帝河平元年三月乙末,日出黃,有黑氣,如大錢,據日中央。
黑子一般成群出現在太陽表面,天文學家又將其稱為“黑子群”。黑子的形成周期短,形成後幾天到幾個月就會消失,新的黑子又會產生。太陽黑子是太陽活動的重要標誌,其活動存在著明顯的周期性,周期平均為11.1年。黑子群對地球的磁場和電離層會造成干擾,並在地球的兩極地區引發極光。
黑子是由本影和半影構成的,本影就是特別黑的部分,半影不太黑,是由許多纖維狀紋理組成的。當大黑子群數量增多時,就預示著太陽上將有劇烈的變化。人類發現太陽黑子活動已經有幾千年了。黑子的活動周期為11.2年。屆時會對地球的磁場和各類電子產品和電器產生損害。在開始的4年左右時間裡,黑子不斷產生,越來越多,活動加劇,在黑子數達到極大的那一年,稱為太陽活動峰年。在隨後的7年左右時間裡,黑子活動逐漸減弱,黑子也越來越少,黑子數極小的那一年,稱為太陽活動谷年。國際上規定,從1755年起算的黑子周期為第一周,然後順序排列,2009年開始為第24周。

黑子特性

太陽黑子產生的帶電離子,可以破壞地球高空的電離層,使大氣發生異常,還會干擾地球磁場,從而使電訊中斷。一個發展完全的黑子由較暗的核和周圍較亮的部分構成,中間凹陷大約500千米。黑子經常成對或成群出現,其中由兩個主要的黑子組成的居多。位於西面的叫做“前導黑子”,位於東面的叫做“後隨黑子”。一個小黑子大約有1000千米,而一個大黑子則可達20萬千米。
太陽黑子的形成與太陽磁場有密切的關係。但是他到底是如何形成的,天文學家對這個問題還沒有找到確切的答案。不過科學家推測,極有可能是強烈的磁場改變了某片區域的物質結構,從而使太陽內部的光和熱不能有效地到達表面,形成了這樣的“低溫區”。黑子越多可能說明太陽越老(紅矮星上黑子占據表面的一半),可能也是所有恆星壽命的一般特徵,黑子附近的周邊應該比太陽正常的地方溫度高一些(此消彼長的原因),黑子向低緯度運動是因為太陽密度小和自轉的原因,就像地球上的大陸版塊向低緯度運動一樣,有黑子的地方存在凹陷500千米可能是溫度低而不再膨脹的原因。
周期性
天文學家對黑子的活動從1755年開始標號統計,規定太陽黑子的平均活動周期為11.2年。黑子最少的年份為一個周期的開始年,稱作“太陽活動寧靜年”又稱“太陽活動谷年”,黑子最多的年份則稱作“太陽活動峰年”。

黑子成因

關於這個問題天文學界一直眾說紛紜。一種說法是黑子可能是太陽的核廢料(如人類核反應堆的核廢料),約11年出現一次可能是黑子在太陽裡面和表面的上下翻動一次造成的(如元宵在鍋里被煮得上下翻動),黑子溫度較低應該也是廢料的一個證明(如煤爐中的炭灰在一般情況下不能再產生高溫)。另一種說法是:由於太陽的聚變作用,熱核反應區周邊的物質向內補充,在半徑為0.75R處物質補充速度較其周圍更快,由於角動量守恆,此處運動速度比周圍快,產生摩擦。由於質子與電子所受摩擦不同,所以運動的相對速度不同,產生電流,進而產生管狀磁場,管內氣壓+磁壓=管外壓強,所以管內氣壓<管外壓強。根據克拉伯龍方程(pV=nRT)管內溫度<管外溫度。因為此結構密度小於周圍物質,所以漂浮到對流層表面,形成黑子。

觀測歷史

與地球對比與地球對比
世界上最早的太陽黑子的記錄是中國公元前140年前後成書的《淮南子》中記載的:“日中有踆烏。”《漢書·五行志》中對前28年出現的黑子記載則更為詳細:“河平元年,三月乙未,日出黃,有黑氣大如錢,居日中央。”
從漢朝的河平元年,到明朝崇禎年間,大約記載了100多次有明確日期的太陽黑子的活動。在這些記載中,人們對太陽黑子的形狀,大小,位置甚至變化都有詳細的記載。
1840年代德國的一位業餘天文學家發現了太陽黑子10-11年的周期變化規律。通過長期的觀測,人們還發現太陽黑子在日面上的活動隨時間變化的緯度分布也有規律性。一開始,幾乎所有的黑子都分布在±30°的緯度內,太陽活動劇烈時,它往往出現在±15處,並逐步向低緯度區移動,在±8°處消失。在上一個周期的黑子還沒有完全消失時,下一個周期的黑子又出現在±30°緯度附近。如果以黑子的緯度為縱坐標,以時間為橫坐標,繪出的黑子分布圖很像蝴蝶,因而稱作蝴蝶圖。關於太陽黑子,中國有世界上最早的觀測記錄。大約在公元前140年前的《淮南子》一書中就有“日中有踆烏”的記述。現今世界公認的最早的太陽黑子記事,是載於《漢書·五行志》中的河平元年(公元前28年)三月出現的太陽黑子:“河平元年……三月己未,日出黃,有黑氣大如錢,居日中央。”這一記錄將黑子出現的時間與位置都敘述得詳細清楚。歐洲關於太陽黑子紀事的最早時間是公元807年8月,當時還被誤認為是水星凌日的現象,直到義大利天文學家伽利略1660年發明天文望遠鏡後,才確認黑子是確實存在的。而在此之前,我國歷史上已有關於黑子的101次記錄,這些記錄不但有時間,還有形狀、大小、位置以及變化情況等等。難怪美國天文學家海爾會讚嘆道:“中國古代觀測天象,如此精勤,實屬驚人。他們觀測日斑,比西方早約2000年,歷史上記載不絕,並且都很正確可信。”

相關影響

太陽是地球上光和熱的源泉,它的一舉一動,都會對地球產生各種各樣的影響。黑子既然是太陽上物質的一種激烈的活動現象,所以對地球的影響很明顯。
當太陽上有大群黑子出現的時候,會出現磁暴現象使指南針會亂抖動,不能正確地指示方向;平時很善於識別方向的信鴿會迷路;無線電通訊也會受到嚴重阻礙,甚至會突然中斷一段時間,這些反常現象將會對飛機、輪船和人造衛星的安全航行、還有電視傳真等等方面造成很大的威脅。
黑子還會引起地球上氣候的變化。100多年以前,一位瑞士的天文學家就發現,黑子多的時候地球上氣候乾燥,農業豐收;黑子少的時候氣候潮濕,暴雨成災。我國的著名科學家竺可楨也研究出來,凡是中國古代書上對黑子記載得多的世紀,也是中國範圍內特別寒冷的冬天出現得多的世紀。還有人統計了一些地區降雨量的變化情況,發現這種變化也是每過11年重複一遍,很可能也跟黑子數目的增減有關係。
研究地震的科學工作者發現,太陽黑子數目增多的時候,地球上的地震也多。地震次數的多少,也有大約11年左右的周期性。
植物學家也發現,樹木的生長情況也隨太陽活動的11年周期而變化。黑子多的年份樹木生長得快;黑子少的年份就生長得慢。
更有趣的是,黑子數目的變化甚至還會影響到我們的身體,人體血液中白血球數目的變化也有11年的周期性。而且一般的人在太陽黑子少的年份,感到肚子餓的較快,小麥的產量較高,小麥的蚜蟲也較少。

與人患病

太陽黑子爆炸側面觀察
我們知道,太陽表面溫度是不一樣的,有的地方溫度高,有的地方溫度低。當太陽中心區域的溫度比周圍區域低1500°左右時,這個區域看上去就比周圍區域暗,如同一個光亮的圓面上出現斑斑點點的黑色斑點,人們就稱它為“太陽黑子”
太陽黑子的數量有時多,有時少,其變化是很有規律的,一般每11年為一個周期。據記載,在公元1173~公元1976年的803年間,流行性大感冒發生過56次,且都出現在太陽黑子活動極大的年份。太陽黑子活動高峰時,心肌梗死的病人數量也激劇增加。
為什麼太陽黑子活動高峰時,患病人數會增加呢?原來黑子活動高峰時,太陽會發射出大量的高能粒子流與X射線,並引起地球磁暴現象。它們破壞地球上空的大氣層,使氣候出現異常,致使地球上的微生物大量繁殖,為疾病流行創造了條件。另一個方面,太陽黑子頻繁活動會引起生物體內物質發生強烈電離。例如紫外線劇增,會引起感冒病毒細胞中遺傳因子變異,並發生突變性的遺傳,產生一種感染力很強而人體對它卻有免疫力的亞型流感病毒。這種病毒一但通過空氣或水等媒介傳播開去,就會釀成來勢兇猛的流行性感冒。
科學家們還發現,在太陽黑子活動極大的年份里,致病細菌的毒性會加劇,它們進入了體後能直接影響人體的生理、生化過程,也影響病程。所以,當黑子數量達高峰期時,要及早預防疾病的大流行。
統計研究表明,流感世界大流行不僅發生在太陽活動最強時期,也發生在太陽活動最弱時期。1889-1890年流行性感冒第一次全世界大流行是在太陽黑子活動低值期(1889年為6.3;1890年為7.1),1900年流感流行也是發生在太陽黑子活動低值期(1900年為9.5,1901年為2.7),1918-1919年“西班牙流感”即流行性感冒第二次全世界大流行為太陽黑子活動次高值期(1917年為103.9;1918年為80.6;1919年為63.6),1957-1958年“亞洲流感”為太陽黑子活動最高值期(1957年為190.2;1958年為184.8),1968-1969年“香港流感”為太陽黑子活動最高值期(1968年為105.9;1969年為105.5),1977年“俄羅斯流感”為太陽黑子活動次低值期(1976年為12.6;1977年為27.5)。太陽活動高值可促發病毒突變,低值有利於病毒大量繁殖。

黑子的形成

太陽黑子太陽黑子
到目前為止,還沒有一個非常完善的理論可以來完美地解釋黑子的形成,但是已經可以發現有一個大而較簡化的模式來略加解釋,並而從中引導出舊理論,及之後新理論的建立。
一般認為太陽黑子和其他活動性都起因於熱對流和各部份自轉速度不同。
可以構想在太陽上原來存在南北兩個磁極,在對流層裡面行成的經向磁場。太陽物質的不同部位以不同轉速運動(這稱為較差自轉),赤道附近自轉較快靠近極區轉得較慢。於是“凍結”在太陽物質里的磁力線就會逐步被拉長並環繞太陽,帶有緯向成分。經多次纏繞之後緯向成分愈來愈強。磁場強度與磁力線的密度成正比,在多次纏繞之後太陽物質里的磁場基本變成緯向而且強度大為增加。磁力線之間互相有斥力,磁場加強時斥力愈來愈強。既然磁場“凍結”在太陽物質裡面,磁力線的斥力就給太陽物質加上一種膨脹壓力,通常稱為磁壓。在太陽內部對流層內,由於不均勻性,各處的氣體壓力並不完全相同,如果某處磁壓超過氣壓,這一團物質就會膨脹,結果會像水裡的氣泡一樣受到上浮力的作用向表面升起,最後連磁力線帶物質都冒出太陽表面。在磁力線集中穿過對流層頂部進入光球的地方就會形成黑子。在磁力線集中和穿入的部位形成的黑子分別為N極性和S極性。且赤道兩側的磁力線走向正好相反,所以在南半球和北半球形成的黑子對的極性也相反。
由左到右可見磁力線纏繞的情形,及南北半球黑子的極性相反。
到此為止,我們發現所找到的資料對以上的說明差異性不大,均是以同一理論為觀點。但在下來,討論到為何磁力線會影響到溫度時,便出現了新、舊兩種差異性頗大的理論。
依照舊理論的說法,由於黑子裡面磁力線大量密集,強大的磁場阻礙著太陽由內部到日面的對流,也就是電漿在黑子區的強大磁場之下不能隨意移動,形成類似栓塞的效果,防止能量繼續從內部流向表面。當栓塞上方的物質冷卻後,已將近五千公里的時速流回太陽表面,周圍的電漿便朝向黑子中心的磁場中進一步冷卻並沉降,在磁場強度未衰之前,冷卻效應便能夠繼續維持黑子結構的穩定。
由於磁拴塞能夠防止熱流向太陽面,因此黑子下層溫度逐漸升高。天文學家在1998年6月的觀測發現,太陽黑子其實很淺,表面下五千公里處的聲速明顯較高,顯示該處的溫度也較周圍為高,與太陽黑子在表面處所呈現的現象剛好相反。新的理論同樣以強大的磁場為基礎,但卻認為磁場不但沒有抑制,反而大大加速能量的傳送。
黑子的強大磁場把大部份熱流變為磁流體波,沿磁力線迅速傳播出去,能量就此化為波動(wave),因而冷卻下來。

重大事件

2014年7月,科學家在研究時發現,處在活動高峰期的太陽上,太陽黑子全都消失了,這引發了他們的困惑。研究人員發現,處於11年周期中最為活躍時間的太陽卻顯得異常的安靜,而且,在發現此現象的幾個星期之前,太陽還充滿了太陽黑子,但一連幾天,科學家們甚至連一個太陽黑子都沒有發現。
菲利普是研究太陽活動的專家,他表示:“這很奇怪,但也不是非常奇怪。在高峰期一個黑子都沒發現是很奇怪的。不過我們身處的太陽系,太陽的能量已經變弱了。

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