太陽(yáng)黑子電磁輻射問題研究

1、太陽(yáng)黑子電磁輻射問題研究班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：同組人:目錄引言第一部分：太陽(yáng)黑子的簡(jiǎn)介第二部分：太陽(yáng)黑子的電磁輻射第三部分：太陽(yáng)黑子電磁輻射對(duì)人類的影響參考文獻(xiàn)關(guān)鍵詞：太陽(yáng)黑子、電磁輻射、太陽(yáng)黑子的電磁輻射、磁場(chǎng)強(qiáng)度、對(duì)人類的影響。引言太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)光球中局部的低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，又是太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的核心角色。對(duì)于黑子的進(jìn)一步了解會(huì)有助于我們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)太陽(yáng)活動(dòng)。處于活動(dòng)劇烈期的太陽(yáng)（稱為擾動(dòng)太陽(yáng)”輻射出大量紫外線、x射線、粒子流和強(qiáng)射電波，因而往往引起地球上極光、磁暴和電離層擾動(dòng)等現(xiàn)象。其中，太陽(yáng)黑子的形成與太陽(yáng)磁場(chǎng)有密切的關(guān)系。在本文章中，我們將對(duì)太陽(yáng)黑子的形成及其所產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以及

2、太陽(yáng)黑子產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)地球及人類的影響。第一部分：太陽(yáng)黑子的簡(jiǎn)介基本簡(jiǎn)介在太陽(yáng)的光球?qū)由?，有一些旋渦狀的氣流，像是一個(gè)淺盤，中間下凹，看起來是黑色口一這些凝渦狀定流就是天陽(yáng)黑子（=sunspot）。巽子笨身弄不黑，之所以看得黑是國(guó)為田I廠光球來，它的溫度要低一、二千度，在更加明亮的光球襯托下，它就成為看起來像是沒有什么亮光的暗黑的黑子了。太陽(yáng)黑子是在太陽(yáng)的光球?qū)由习l(fā)生的一種太陽(yáng)活動(dòng)，是太陽(yáng)活動(dòng)中最基本，最明顯的活動(dòng)現(xiàn)象。一般認(rèn)為，太陽(yáng)黑子實(shí)際上是太陽(yáng)表面一種熾熱氣體的巨大漩渦，溫度大約為4500K（熱力學(xué)溫標(biāo)單位，就溫差而言，1K等于1C）。因?yàn)楸忍?yáng)的光球?qū)颖砻鏈囟纫停ü馇驅(qū)颖砻鏈囟燃s為

3、6000攝氏度），所以看上去像一些深暗色的斑點(diǎn)?；顒?dòng)周期太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)表面因溫度相對(duì)較低而顯得黑”的局部區(qū)域。中國(guó)是世界上最先發(fā)現(xiàn)黑子的國(guó)家，早在中國(guó)古代，當(dāng)時(shí)的中國(guó)人就已發(fā)現(xiàn)了黑子的存在。黑子一般成群出現(xiàn)在太陽(yáng)表面，天文學(xué)家又將其稱為黑子群”。黑子的形成周期短，形成后幾天到幾個(gè)月就會(huì)消失，新的黑子又會(huì)產(chǎn)生。太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)活動(dòng)的重要標(biāo)志，其活動(dòng)存在著明顯的周期性，周期平均為11.1年。黑子群對(duì)地球的磁圖型電離層會(huì)造成干擾，并在地球的兩極地區(qū)引發(fā)極光。黑子是由本影和半影構(gòu)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(dāng)大黑子群數(shù)量增多時(shí)，就預(yù)示著太陽(yáng)上將有劇烈的變化。人類發(fā)現(xiàn)

4、太陽(yáng)黑子活動(dòng)已經(jīng)有幾千年了。黑子的活動(dòng)周期為11.2年。屆時(shí)會(huì)對(duì)地球的磁場(chǎng)和各類電子產(chǎn)品和電器產(chǎn)生損害。在開始的4年左右時(shí)間里，黑子不斷產(chǎn)生，越來越多，活動(dòng)加劇，在黑子數(shù)達(dá)到極大的那一年，稱為太陽(yáng)活動(dòng)峰年。在隨后的7年左右時(shí)間里，黑子活動(dòng)逐漸減弱，黑子也越來越少，黑子數(shù)極小的那一年，稱為太陽(yáng)活動(dòng)谷年。國(guó)際上規(guī)定，從1755年起算的黑子周期為第一周，然后順序排列。1999年開始為第23周。主要成因關(guān)于這個(gè)問題天文學(xué)界一直眾說紛紜。一種說法是黑子可能是太陽(yáng)的核廢料（如人類核反應(yīng)堆的核廢料），約11年出現(xiàn)一次可能是黑子在太陽(yáng)里面和表面的上下翻動(dòng)一次造成的（如元宵在鍋里被煮得上下翻動(dòng)），黑子溫度較低應(yīng)

5、該也是廢料的一個(gè)證明（如煤爐中的炭灰在一般情況下不能再產(chǎn)生高溫）。另一種說法是：由于太陽(yáng)的聚變作用，熱核反應(yīng)區(qū)周邊的物質(zhì)向內(nèi)補(bǔ)充，在半徑為0.75R處物質(zhì)補(bǔ)充速度較其周圍更快，由于角動(dòng)量守恒，此處運(yùn)動(dòng)速度比周圍快，產(chǎn)生摩擦。由于質(zhì)子與電子所受摩擦不同，所以運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度不同，產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生管狀磁場(chǎng)，管內(nèi)氣壓+磁壓=管外壓強(qiáng)，所以管內(nèi)氣壓管外壓強(qiáng)。根據(jù)克拉伯龍方程（pV=nRT）管內(nèi)溫度管外溫度。因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)密度小于周圍物質(zhì)，所以漂浮到對(duì)流層表面，形成黑子。黑子特性太陽(yáng)黑子產(chǎn)生的帶電離子，可以破壞地球高空的電離層，使大氣發(fā)生異常，還會(huì)干擾地球磁場(chǎng)，從而使電訊中斷。一個(gè)發(fā)展完全的黑子由較暗的核和

6、周圍較亮的部分構(gòu)成，中間凹陷大約500千米。黑子經(jīng)常成對(duì)或成群出現(xiàn)，其中由兩個(gè)主要的黑子組成的居多。位于西面的叫做前導(dǎo)黑子：位于東面的叫做后隨黑子”。一個(gè)小黑子大約有1000千米，而一個(gè)大黑子則可達(dá)20萬(wàn)千米。太陽(yáng)黑子的形成與太陽(yáng)磁場(chǎng)有密切的關(guān)系。但是它到底是如何形成的，天文學(xué)家對(duì)這個(gè)問題還沒有找到確切的答案。不過科學(xué)家推測(cè)，極有可能是強(qiáng)烈的磁場(chǎng)改變了某片區(qū)域的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而使太陽(yáng)內(nèi)部的光和熱不能有效地到達(dá)表面，形成了這樣的低溫區(qū)黑子越多可能說明太陽(yáng)越老（近年發(fā)現(xiàn)紅矮星上黑子占據(jù)表面的一半，詳見中國(guó)天文愛好者2005年第三期），可能也是所有恒星壽命的一般特征，黑子附近的周邊應(yīng)該比太陽(yáng)正常的地方

7、溫度高一些（此消彼長(zhǎng)的原因），黑子向低緯度運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樘?yáng)密度小和自轉(zhuǎn)的原因，就像地球上的大陸版塊向低緯度運(yùn)動(dòng)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。黑子的形態(tài)單個(gè)黑子的尺度，在初生日只有2000km左右，而發(fā)展到最大時(shí)其尺度可達(dá)幾萬(wàn)km。單個(gè)黑子的壽命短者約幾小時(shí)到一天，長(zhǎng)者可達(dá)幾十天或者更長(zhǎng)，能在日面上存在幾個(gè)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周（一周約27天）。黑子出現(xiàn)的第一步，是在光球米粒組織中產(chǎn)生一個(gè)小黑點(diǎn)，尺度只有25（1=725km）。小黑點(diǎn)的亮度比光球米粒組織中的暗處還要暗一些，但是比大黑子的核心處要亮一些。小黑點(diǎn)的壽命比光球米粒的壽命長(zhǎng)很多，常常是幾個(gè)小時(shí)看不出很大的變化，甚至

8、很小的黑點(diǎn)的壽命也有幾個(gè)小時(shí)。小黑點(diǎn)大約在出現(xiàn)半小時(shí)后，它的暗黑程度及尺度就和周圍光球米粒有了較清楚的區(qū)別。遺憾的是，絕大部分小黑點(diǎn)不能發(fā)展成黑子。只有某些小黑點(diǎn)集團(tuán)在一天左右形成為黑子。黑子出現(xiàn)后的第一天對(duì)它的成長(zhǎng)是很重要的，因?yàn)檫@一天里黑子的磁通量的增長(zhǎng)很快。與此同時(shí)，當(dāng)小黑點(diǎn)的尺度增長(zhǎng)到5以上，它本身就形成了黑子的核心部分，成為“黑子本影”。通過半影的出現(xiàn)，小黑點(diǎn)顯示出強(qiáng)烈的向黑子發(fā)展的趨勢(shì)。于是，有的太陽(yáng)物理學(xué)家就把有無(wú)半影作為小黑點(diǎn)與小黑子的分界，出現(xiàn)半影作為小黑點(diǎn)過渡到或發(fā)展成黑子的標(biāo)志。對(duì)于黑子細(xì)節(jié)的觀測(cè)，告訴我們，黑子的半影實(shí)際上是黑子本影周圍從里向外伸出的細(xì)的亮纖維與暗黑的背

9、景形成的區(qū)域。半影中的暗黑區(qū)域被眾多的半影亮纖維分隔，也呈纖維狀，也常稱為半影中的暗纖維。黑子半影出現(xiàn)之前，先是黑子本影附近物質(zhì)變暗，然后才有半影的亮纖維產(chǎn)生，反之，當(dāng)黑子瓦解時(shí)，是黑子半影亮纖維先消失，而后整個(gè)半影區(qū)才漸漸轉(zhuǎn)變成非擾動(dòng)的光球區(qū)域。黑子半影的寬度約為1”比米粒還寬，壽命約幾個(gè)小時(shí)。半影的長(zhǎng)度與半影的大小和復(fù)雜程度有關(guān)系，典型的半影亮名f維長(zhǎng)度是10”（7500km）,都是由亮米粒或拉長(zhǎng)的亮米粒組成的。用“過度”曝光的方法，觀測(cè)到無(wú)論大小黑子的本影全是由暗的本影米粒組成的，本影米粒的暗黑程度不等。在本影與半影的交界處常可觀測(cè)到組成半影亮纖維的亮米粒在本影的黑背景襯托下顯得較亮。在

10、黑子的本影中，特別是大黑子的本影中，經(jīng)常有被亮橋“切斷”的現(xiàn)象。高分辨力的觀測(cè)表明，這種亮橋本事是由類似于半影亮條中的亮米粒一樣的小亮元組成。實(shí)際上本影米粒的大小、形狀、亮度都很彌散，它的尺寸大約為2.3”2.9”。本影米粒的壽命大約是從十幾分鐘到2.5小時(shí)，比光球米粒的壽命（10min）要長(zhǎng)很多。一方面，黑子本影的亮度等強(qiáng)度線呈現(xiàn)出很不規(guī)則的形狀，反映出黑子中磁通量向上流是很不均勻分布的。另一方面，黑子本影米粒有類似光球米粒之外，有向上的運(yùn)動(dòng)，說明它們是對(duì)流流動(dòng)的表現(xiàn)，即使黑子本影磁場(chǎng)很強(qiáng)也未能完全約束黑子中的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。第二部分：太陽(yáng)黑子的電磁輻射電磁輻射能量以電磁波的形式通過空間傳播的現(xiàn)象

11、。它的傳播速度即人們通常所說的光速。電磁輻射可按其波長(zhǎng)，頻率排列形成若干頻率段，形成電磁波譜。頻率越高該輻射的量子能量越大，其生物學(xué)作用也越強(qiáng)。太陽(yáng)黑子的電磁輻射屬于天然電磁輻射。黑子中的物質(zhì)流動(dòng)、物態(tài)和磁場(chǎng)我們知道，如果一個(gè)發(fā)出振動(dòng)信號(hào)的源沿著我們的視線做運(yùn)動(dòng)，那么我們接收到的它的振動(dòng)信號(hào)的頻率就會(huì)與它發(fā)射的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。1909年英國(guó)人埃弗施德在印度的二Kodaikanal：天文臺(tái)，利用黑子光譜線的多普勒效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了黑子半影中的物質(zhì)流動(dòng)，稱為“埃弗施德效應(yīng)”。他把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)日面邊緣的太陽(yáng)黑子，用光譜儀觀測(cè)黑子的光譜線的唯一所表示的譜線波長(zhǎng)的變化，發(fā)現(xiàn)對(duì)于靠近日面邊緣的黑子

12、而言，它的接近日面中心方向的一側(cè)的半影的暗區(qū)（暗纖維）中，光譜線的波長(zhǎng)變短了；而在黑子的接近日面邊緣的一側(cè)的半影暗區(qū)中，光譜線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)了。這種現(xiàn)象說明，有物質(zhì)在黑子中從黑子的本影與半影的交界處向半影與光球交界處流動(dòng)，即從黑子向外流動(dòng)，這種流動(dòng)是平行于日面方向的，在太陽(yáng)方向上就是水平方向的流動(dòng)。流動(dòng)從黑子的本影和半影的交界處開始，流動(dòng)在半月內(nèi)各種達(dá)到最大速度一每秒約2km。進(jìn)一步利用來自不同深度的不同光譜線做類似的觀測(cè)，結(jié)果得知，Evershed流動(dòng)在深層流速最大，越往上流速越小，直到光球表面是流速為零。在往上到了色球?qū)樱鲃?dòng)的方向反轉(zhuǎn)，有半影與光球的交界處向黑子本影區(qū)流動(dòng)。一般認(rèn)為，這種流動(dòng)

13、是物質(zhì)在磁流管中受到磁流管兩端的壓力差的作用而做的沿著磁流管的運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象中，太陽(yáng)黑子具有最強(qiáng)的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的浮現(xiàn)、發(fā)展與變化控制著黑子的發(fā)生于演化。同時(shí)，黑子的變化又控制著它周圍的地區(qū)一一活動(dòng)區(qū)中活動(dòng)的發(fā)生、發(fā)展與衰亡。黑子磁場(chǎng)的測(cè)量時(shí)借助于“塞曼效應(yīng)”進(jìn)行的。塞曼效應(yīng)是指處于磁場(chǎng)中的光源發(fā)射光的譜線發(fā)生分裂。反之，測(cè)量磁場(chǎng)中光源所發(fā)射譜線的分裂量，就可以推算出光源所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。黑子本影處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與黑子面積有關(guān)，面積越大磁場(chǎng)越強(qiáng)。大黑子本影處的磁場(chǎng)可強(qiáng)達(dá)約4000Gs,向外逐漸減弱，到半影與光球交界處降至10001500Gs。據(jù)統(tǒng)計(jì)，只有約20%的黑子磁場(chǎng)強(qiáng)度大于2000Gs,約有5

14、%的黑子磁場(chǎng)強(qiáng)度超過3000Gs。假若黑子的面積為S（以太陽(yáng)半球面積的10-6為單位），那么黑子的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度Bm（以高斯為單位）可由下式算出：這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式適用于大多數(shù)黑子，它們的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度小于3700Gs。對(duì)于黑子磁場(chǎng)由中心向外減弱的情況，也有許多經(jīng)驗(yàn)公式定量的給以近似表示。下式是經(jīng)驗(yàn)公式之一：式中為距黑子中心的距離（以黑子半徑為單位），B（）是處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，B（o）是黑子中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度。=1表示離黑子中心的距離正好等于黑子半徑，那里正是黑子的半影與光球交界地，該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度依上式算出為由于日面上黑子常成群出現(xiàn)，群中磁極性也常混雜在一起，因而黑子磁力線的走向必定是復(fù)雜的。對(duì)于一個(gè)單極性的簡(jiǎn)

15、單的黑子，它的磁場(chǎng)分布較簡(jiǎn)單，磁力線走向在理想情況下應(yīng)該是規(guī)整的喇叭口形。黑子中軸線處磁力線垂直向上，到光球表面之后即向周圍散開。從側(cè)面看，黑子磁力線具有扇形的分布。下列經(jīng)驗(yàn)公式常被用來表示黑子的磁力線分布形狀:上式中為磁力線與黑子軸線的交角，是距黑子軸線的距離（以黑子半徑為單位）。由上式可知，當(dāng)=0時(shí)，即在黑子軸線上，磁力線順著軸線。而當(dāng)時(shí)，即在黑子邊緣處，磁力線與軸線的夾角趨向67.5。這一公式對(duì)于離黑子軸線更遠(yuǎn)處是不適用的。黑子一生中，磁場(chǎng)強(qiáng)度在初生期增加很快，接著是較長(zhǎng)的保持磁場(chǎng)強(qiáng)度基本不變的時(shí)期，最后是磁場(chǎng)漸漸的消失期。第三部分：太陽(yáng)黑子電磁輻射對(duì)人類的影響太陽(yáng)黑子時(shí)對(duì)地球的影響是非

16、常大的，它與我們的生活有著密切的聯(lián)系，2000年太陽(yáng)活動(dòng)的極大年，因?yàn)槠渲饕幕顒?dòng)強(qiáng)弱呈11年的周期性變化，所以2000年又稱作第23周期太陽(yáng)活動(dòng)年；太陽(yáng)活動(dòng)呈周期性變化是由施瓦貝首次發(fā)現(xiàn)的，R沃欠夫逆行推算從而得出了11年的周期時(shí)性；其實(shí)，太陽(yáng)黑子不反呈11年周期的變化，還有22年的周期，這是海耳在研究黑子群磁場(chǎng)極性分布時(shí)發(fā)現(xiàn)的，因此也能為“磁周”或“海耳定律”，還有格萊斯堡等人發(fā)現(xiàn)的80年周期。太陽(yáng)黑子的蒙德極小期等等。地球上的氣候狀籽、植物生長(zhǎng)、水文現(xiàn)象以及地震活動(dòng)乃至全球性的流感發(fā)生等，都具有11年的周期變化。最新研究表明，人類的發(fā)明創(chuàng)造也與太陽(yáng)黑子的周期活動(dòng)有關(guān)。俄羅斯科學(xué)家伊德里斯

17、教授通過對(duì)理論物理的發(fā)展速行深入研究后證明，科學(xué)創(chuàng)見確有一定的貶律。以愛因斯坦為例，他在物理學(xué)上的4次重大突破，時(shí)間分別是1905年、1916年、1927年、1938年，其周期恰為11年，而且這4年又都是太陽(yáng)黑子的高峰年。不僅如此，藝術(shù)才能也受太陽(yáng)黑子活動(dòng)的影響。18世紀(jì)至19世紀(jì)的50名作曲家的創(chuàng)作高峰幾乎都同太陽(yáng)黑子活動(dòng)高峰一致，他們都是在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的高峰年代寫出了自己的傳世之作。雖然太陽(yáng)黑子也許能夠刺激到某些人的創(chuàng)作靈感，可是不能否認(rèn)的是，太陽(yáng)黑子對(duì)我們的日常的人類生活有著很大的影響，并且大多是負(fù)面而非正面的。美國(guó)“國(guó)家海洋大氣管理局（NOAQ”的官員警告說，太陽(yáng)活動(dòng)即將速入11年一個(gè)

18、循環(huán)周期中的“極大年”。美國(guó)政府官員預(yù)計(jì)，全美的通訊系統(tǒng)和能源設(shè)施可能遭到持續(xù)數(shù)月的太陽(yáng)風(fēng)暴的襲擊。按大氣和海洋科學(xué)家的話說，太陽(yáng)活動(dòng)的“極大年”會(huì)引發(fā)太空風(fēng)暴、強(qiáng)輻射流和極光等，對(duì)現(xiàn)有的GPS全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)施和其它基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成沖擊。例如1989年爆發(fā)的地磁風(fēng)暴就曾經(jīng)使魁北克省的電力供應(yīng)超載，使得政府不得不采取燈火管制。城市中的交通事故或許與太陽(yáng)黑子爆發(fā)存在某種關(guān)系。專家從一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)黑子活躍的時(shí)段，交通事故也相應(yīng)有所增加。中科院紫金山天文臺(tái)與武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)院專家，聯(lián)合對(duì)此課題作了研究。他們對(duì)1955年至2000年武漢市交通事故的發(fā)生情班與同期出現(xiàn)的5個(gè)太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期作了比較分析。