第1章 太阳及其磁场简介
1.1 磁流体力学
太阳由转动的分子云坍缩而形成,现处于主星序,正值中年期,生命的*后阶段成为白矮星.构成太阳的物质大多数处于等离子体状态.磁流体力学(Magneto hydro dynamics,MHD)研究等离子体和磁场的相互作用.太阳磁流体力学是理解许多太阳现象的重要工具.因为很多太阳现象与磁场有关,如:光球上除黑子有强磁场外,还有小尺度的磁场;色球上层有许多针状体,内有向上喷射的炽热气流并包含磁场;日冕由大量磁场构成,小尺度上的X射线亮点,认为是上浮的新磁通量产生的微耀斑;日冕的加热认为也与磁场有关.其他诸如太阳耀斑、日珥的形成与演化、太阳活动周的解释等,本质上与磁场、等离子体间的作用有关.
太阳作为自然实验室,可用以解释磁场和等离子体的众多物理行为,与地球实验室相比,区别在于:边界条件、能量平衡、引力影响、磁雷诺数的大小等.
1.2 发展简史
公元前2137年 中国人记录了日食,公元前585年起,希腊人也有记录.
公元前325年 雅典人Theophrastus提到了太阳上的黑色斑点.
公元前165年 中国人记录了肉眼观测到的太阳黑子.
公元前28年 中国人开始观测黑子.
1609年 Kepler利用Tycho Brahe的观测资料提出行星运动规律,算出日地距离约为2.25千万公里,还提出太阳可能有磁场以维持行星的轨道运动.
1610年 长时期内西方人忘记了黑子,伽利略(Galileo Galilei)等用新发明的望远镜精确地观测了黑子,并从中推算出太阳自转和地球公转的周期.有些相信有黑子的人认为这是行星,另一些人认为黑子是太阳燃烧后的熔渣,或是暗的烟云.
1842年 中世纪俄罗斯的记录中,提及1733年Vassenius观测到日珥,这一年在一次日食中再次发现日珥,而且清楚地看到太阳大气的外层,即色球和日冕.
1843年 Schwabe提出黑子的出现存在约11年的周期.1851年 在日食事件中,**次得到日冕的照片,形如薄晕,环绕着太阳.
1852年 Sabine,Wolf和Gautier发现黑子周期与地磁暴有关.
1858年 Carrington发现随太阳周的进程黑子向低纬度漂移.
1859年 可能是Carrington和Hodgson**次观测到太阳耀斑.
1861年 Sp.rer发现黑子分布定律.
1868年 Secchi在日食过程中探测到氦的发射线.
1874年 Langley详细描述了太阳表面(光球)上的精细结构,称之为米粒.
1877年 Secchi把针状体描述成燃烧的草原.
1908年 Hale发现黑子具有强磁场.
1909年 Evershed观测到黑子半影的外向流.
1919年 Hale和Joy发现黑子对倾向于有相反的极性,与纬度斜交,南北半球的前导黑子极性相反.
20世纪20年代 确认太阳大气和太阳内部的主体是氢和氦.
1930年 Lyot发明日冕仪.
1934年 Cowling提出黑子理论,以及无发电机定理.
1938年 Bethe提出碳-氮循环和质子-质子反应链是太阳的能源.
1941年 Biermann认识到因为对流抑制,黑子是冷的.
1942年 Alfvén建立磁波理论.另外,这一年探测到太阳的射电辐射.
1945年 Roberts命名并详细描述了针状体.
1948年 Biermann和Schwarzschild提出外层太阳大气由声波加热,声波从对流区向外传播.
1952年 Babcock发明磁像仪,揭示光球磁场的性质.
1956年 Cowling总结了磁流体力学的基本理论.
1958年 Babcock和Livingston观测到在太阳活动极大年附近极区磁场的极性反转.Parker预言太阳风的存在,提出了他的模型.
1960年 Leighton发现光球上的5分钟振荡.
1962年 Leighton,Noyes和Simon发现网络,勾画出超米粒元胞的轮廓.
1970年 Ulrich提出声波总体被俘获在太阳表面之下.
1972年 Tousey和Koomen观测到日冕物质抛射.
1973年 天空实验室(Skylab)在软X射线波段详细地探索了冕洞、冕环和X射线亮点.
Stenflo发现网络中的千高斯量级的磁场.
1980年 Hickey等发现太阳辐照的变化,太阳常数不是常数.
20世纪80年代 磁流体力学理论在平衡、波、不稳定性和磁重联方面取得重要进展.中国科学院国家天文台怀柔太阳观测站(HSOS)成立,中国的太阳磁场望远镜投入运行(1987年).
20世纪90年代 Yohkoh揭示了日冕的动力学性质和耀斑中存在磁重联.
1998年 TRACE(太阳过渡区与日冕探测器)的高分辨观测,彻底改变了对日冕的认识.
2002年 RHESSI(高能太阳光谱成像仪)改变了对太阳耀斑的认识.
21世纪初 STEREO(日地关系观测台)日冕物质抛射的三维观测.Hinode(日出卫星)研究光球和日冕间的联系,改变了光球磁场的图像.
2010年 SDO(太阳动力学天文台)运行.
20世纪70年代以后,磁流体力学理论在太阳物理领域中得到进一步的发展和应用,地面和空间太阳望远镜的高分辨率观测披露了光球、色球和日冕新的特征,为理论的发展提供了新的机遇.
1.3 太阳的基本参数
年龄 4.6×109yr
质量 M⊙=1.99×1030kg
半径 R⊙=6.96×108m
平均密度 1.4×103kg m.3(=1.4g cm.3)
离地球的平均距离 1AU=1.496×1011m(=215R⊙)
表面重力加速度 g⊙=274m s.2
表面逃逸速度 618km s.1
辐射(光度) L⊙=3.86×1026W(=3.86×1033erg s.1)(1erg=10.7J)
赤道转动会合周期 26.24d
角动量 1.7×1041kg m2 s.1
质量损失率 109kg s.1
有效温度 5785K
1角秒(=1′′) 726km
1.4 太阳的分层结构
太阳本质上是炽热的气体球,按物理性质可明显地分成几个球层,如图1.1所示.其中所见的明亮日轮为光球,厚约500km.光球之下为对流层,其上为色球,厚约2500km.色球上层充满针状体.色球之上为日冕,形状不规则,无明显边界,可以延伸至太阳系边缘.通常把光球、色球和日冕称为太阳大气,它们的辐射可以达到地球,提供了许多相关的信息.太阳大气的温度随高度的变化示于图1.2.
图1.1 太阳球体分层结构
图1.2 太阳表面大气中温度和质量密度随高度的变化对流层、中层和日核称为太阳内部.它们的辐射被上层气体物质所吸收,不能达到地球,有关的知识则以太阳大气的观测作为边值,主要依靠理论推测.
1.5 宁静太阳、太阳活动区
宁静太阳是静态、球对称和均匀辐射的等离子体球,一级近似下,它的物理性质仅与离开核心的径向距离有关,磁场可以忽略.活动太阳由瞬态现象组成,如黑子、暗条、耀斑和日冕物质抛射等,叠加于宁静大气之上,大部分与磁场有关.
上述的划分并非完美,事实上宁静大气明显受到磁场影响,如米粒和超米粒组织周围及上方有磁网络构造,又如外层大气的磁加热等.
1.6 太阳磁场
目前仅光球层的磁场分布,可用光学方法进行比较精确的测量,对色球的磁场测量精度较差,日冕磁场只能用射电方法粗略估计,通常以光球磁场作为边值,按某种理论模型外推,以估计光球以上太阳大气的磁场.
太阳磁场可分为以下类型.
1.活动区磁场
太阳上*强的磁场出现在以黑子为中心的活动区中,黑子的磁场强度约1000至4000G,多数为双极结构.黑子附近的谱斑区中,强度一般为几百G.活动区上空日珥和日冕中的磁场约为几G至几十G.活动区在日面上延伸的范围为几百至十几万公里.
2.极区磁场
太阳两极的磁场约为1—2G.南北两极的磁场极性相反,在太阳活动极大期附近会发生极性转换.极区磁场只限于极区附近,与真正的偶极场不同,并不起源于太阳内部的偶极场,但与活动区磁场关系密切.
3.宁静区磁场
宁静区中有弱磁场分布,形成网络磁场,与超米粒边界和色球网络对应,网络大小约3×104km,常沿超米粒边界延伸成链状,强度为20—200G,寿命可超过一天,网络内部磁场也不为零,存在许多离散小岛,称为网络内磁场,强度约为2—25G,*小尺度几百公里,寿命几分钟至几十分钟.4.日地空间的大尺度磁场
黄道面上行星际磁场呈扇形结构,每一扇形区中磁场极性相同,相邻扇形区极性相反,一为指向太阳,另一为背离太阳.扇形磁场由太阳风输送到行星际空间,是太阳磁场的延伸.在地球轨道附近磁场强度量级为10.4—10.5G,扇形边界厚度小于1.5×105km.扇形磁场变化很大,有时结构明显,有时不明显,有时一个太阳自转周有4个扇形区,有时仅有2个.
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