《太陽(yáng)：前沿科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室》課件

駕龍辀兮乘雷，載云旗兮委蛇。長(zhǎng)太息兮將上，心低徊兮顧懷。羌聲色兮娛人，觀者憺兮忘歸。屈原《九歌·東君》威海日落火星日落問(wèn)題天文觀測(cè)中的太陽(yáng)是什么樣的？什么是太陽(yáng)活動(dòng)？什么是空間天氣？極端空間天氣如何影響我們生存的環(huán)境和高技術(shù)系統(tǒng)？什么是太陽(yáng)活動(dòng)周，我們所處的第25太陽(yáng)活動(dòng)周的現(xiàn)狀是什么？太陽(yáng)研究與前沿科學(xué)領(lǐng)域聯(lián)系如何？未來(lái)我們?cè)谔?yáng)研究上要做哪些努力？一、

天文觀測(cè)中的太陽(yáng)太陽(yáng)光球（photos-here）我國(guó)“羲和號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)（Aug.3，2022）高分辨率下的光球—米粒和湍動(dòng)對(duì)流(TiO,

7058?)日珥太陽(yáng)色球（chromos-phere）我國(guó)“羲和一號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)（Aug.3，2022）色球邊緣的日珥活動(dòng)——云南天文臺(tái)新真空望遠(yuǎn)鏡（高分辨率Hα觀測(cè)）Sep.2，2024ImageCredit&Copyright:Andrea

VanoniSolarcoronaseenintotalsolareclipse,Posachoff,2022

Sol.Phys.冕流日珥Chromosphere~104

K過(guò)渡區(qū)Transitionregion~times

105 KAtmosphere

太陽(yáng)大氣Convection

zone

對(duì)流層Radiation

zone

輻射區(qū)Suncore

日核日冕

Corona~

106 KSolarcoronaseenintotalsolareclipse,Posachoff,2022

Sol.Phys.色球Photosphere6000 K

光球magnetogram

磁強(qiáng)圖太陽(yáng)的物理參數(shù)日地距離1.4961011m(~8.3min.by

light）半徑6.955

108

m

(地球的109倍)質(zhì)量1.989

1030

kg

(地球的33萬(wàn)倍)逃逸速度

(光球)6.178

105

ms-1

(~618公里/秒)平均密度1409

kgm-3

(水的1.4倍)太陽(yáng)常數(shù)1366

Wm-2亮度（表面溫度）3.851026W(5780

k)年齡4.566

109

年

(~46億年)化學(xué)組成氫70.68%,

氦27.43%,

其他1.89%太陽(yáng)的生命周期天文學(xué)革命在繼續(xù)在發(fā)現(xiàn)的種類(lèi)繁多的五千多太陽(yáng)系外行星系統(tǒng)中，我們的太陽(yáng)系只不過(guò)是最早被知道的一個(gè)。天文學(xué)正處在一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，它的進(jìn)步正使人類(lèi)逐漸接近一個(gè)古老問(wèn)題的答案——宇宙中我們是否孤獨(dú)，我們的宇宙鄰居在哪里？人類(lèi)的生存環(huán)境與太陽(yáng)活動(dòng)緊密相關(guān)，太陽(yáng)活動(dòng)的劇烈變化會(huì)造成無(wú)線電通信中斷、電力系統(tǒng)故障、人造衛(wèi)星損壞和變軌，以及威脅航天員安全等重大災(zāi)害。近地小行星的監(jiān)測(cè)、空間碎片的研究，以及自主的時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)可以為國(guó)家安全和航天器的安全提供保障。深空探測(cè)是21世紀(jì)科技強(qiáng)國(guó)開(kāi)拓地球外“新疆域”的重要手段，對(duì)月球、火星、金星和木星等太陽(yáng)系天體的探測(cè)加速了人們對(duì)太陽(yáng)系起源的了解，同時(shí)也為未來(lái)人類(lèi)踏足新行星提供了前期準(zhǔn)備。太陽(yáng)系外恒星及其行星系統(tǒng)的多樣性為了解地球起源和演化提供了借鑒，對(duì)地外生命的搜尋有助于人類(lèi)思考宇宙尺度上地球生命的起源和意義。太陽(yáng)研究與人類(lèi)生存和國(guó)家安全等密切相關(guān)二、太陽(yáng)——前沿科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室（一）太陽(yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)活動(dòng)——宇宙中無(wú)所不在的電磁相互作用，（輻射）磁流體力學(xué)（二）太陽(yáng)和恒星產(chǎn)能機(jī)制——受控?zé)岷朔磻?yīng)，中微子，多信使天文學(xué)（三）太陽(yáng)系外行星——類(lèi)太陽(yáng)恒星的研究，天體生物學(xué)（四）極端太陽(yáng)活動(dòng)——空間天氣和氣候?qū)W（五）太陽(yáng)活動(dòng)周——太陽(yáng)和恒星發(fā)電機(jī)理論太陽(yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)活動(dòng)——宇宙中無(wú)所不在的電磁相互作用，（輻射）磁流體力學(xué)（一）伽利略1610年開(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)黑子夫瑯禾費(fèi)得到太陽(yáng)光譜荷蘭物理學(xué)家塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)把產(chǎn)生光譜的光源置于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)作用于發(fā)光體使光譜發(fā)生變化，一條譜線即會(huì)分裂成幾條偏振化的譜線，這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞曼效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是對(duì)光的電磁理論的有力支持，證實(shí)了原子具有磁矩和空間取向量子化。這一發(fā)現(xiàn)由于及時(shí)得到洛侖茲的理論解釋?zhuān)艿饺藗兊闹匾?，被譽(yù)為繼X射線之后物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。彼得·塞曼1902年，塞曼與洛侖茲因這一發(fā)現(xiàn)共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們研究磁場(chǎng)對(duì)光的效應(yīng)所作的特殊貢獻(xiàn)。加州理工學(xué)院的喬治·黑爾，1908年基于物理學(xué)的塞曼效應(yīng)發(fā)現(xiàn)黑子的強(qiáng)磁場(chǎng)，第一次用物理學(xué)方法研究天體對(duì)象，標(biāo)志著天體物理學(xué)和太陽(yáng)物理學(xué)的誕生。發(fā)明Astrophysics（天體物理學(xué)）創(chuàng)辦《The

Astrophysical

Journal》GeorgeEllery

Hale太陽(yáng)黑子的磁場(chǎng)和多波段觀測(cè)太陽(yáng)黑子——太陽(yáng)活動(dòng)的最基本的形式太陽(yáng)黑子和太陽(yáng)磁場(chǎng)分布太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡宇宙中的電磁相互作用的理論——

磁流體力學(xué)和等離子體物理學(xué)日珥爆發(fā)Henode衛(wèi)星在CaII譜線觀測(cè)的一個(gè)大耀斑Type

III與耀斑相聯(lián)系的日冕物質(zhì)拋射、射電暴、粒子加速和地磁暴太陽(yáng)活動(dòng)及其空間天氣效應(yīng)太陽(yáng)爆發(fā)式活動(dòng)表現(xiàn)為暗條（日珥）的爆發(fā)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，它們導(dǎo)致的近地空間和日球環(huán)境的變化被稱(chēng)為空間天氣；災(zāi)害性空間天氣影響導(dǎo)航通訊定位系統(tǒng)、損害空間飛行器和宇航員健康，破壞長(zhǎng)距離電力能源輸運(yùn)系統(tǒng)。日冕物質(zhì)拋射（磁云）是日地空間災(zāi)害天氣的主要驅(qū)動(dòng)者由太陽(yáng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)并通過(guò)電磁相互作用影響地球環(huán)境小尺度太陽(yáng)磁場(chǎng)活動(dòng)無(wú)所不在，對(duì)太陽(yáng)輻射和日冕加熱有重要貢獻(xiàn)Tianet

al.，2014，ScienceWangetal.，2012，Solar

Phys太陽(yáng)風(fēng)暴影響空間環(huán)境過(guò)程的演示極光是太陽(yáng)高能粒子和極區(qū)磁力線共舞的霓裳木星土星宇宙中充滿(mǎn)無(wú)所不在的電磁相互作用和爆發(fā)現(xiàn)象（M51的渦旋磁場(chǎng)）磁流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程控制著太陽(yáng)帶電流體（等離子體）的行為；太陽(yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)活動(dòng)的觀測(cè)研究催生了磁流體力學(xué)理論的發(fā)展。漢尼斯·阿爾文（1908－1995）瑞典等離子體物理學(xué)家、天文學(xué)家，致力于磁流體動(dòng)力學(xué)的研究。他為建立宇宙物理學(xué)的重要領(lǐng)域——電磁流體力學(xué)作出了貢獻(xiàn)。他最主要的工作是發(fā)現(xiàn)磁流體中的阿爾文波。1942年他在太陽(yáng)黑子的理論研究中發(fā)現(xiàn)，處在磁場(chǎng)中的導(dǎo)電流體，在一定條件下可以使磁力線像振動(dòng)的弦那樣運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)一種磁流體波。這一發(fā)現(xiàn)在等離子體物理、天體物理和受控?zé)岷朔磻?yīng)中都有重要應(yīng)用。阿爾文獲得1970年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。太陽(yáng)和恒星產(chǎn)能機(jī)制——受控?zé)岷朔磻?yīng)，中微子，多信使天文學(xué)（二）太陽(yáng)的能量來(lái)自日核內(nèi)氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子及4個(gè)電子組成的氦原子質(zhì)量要略小于4個(gè)由1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子組成的氫原子的質(zhì)量。英國(guó)科學(xué)家愛(ài)丁頓根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能互換公式推測(cè)，缺少的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量釋放出來(lái)，這就是核聚變，太陽(yáng)和恒星的能源。后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)內(nèi)每聚變形成一個(gè)氦原子就會(huì)釋放出2個(gè)中微子。他1938年提出太陽(yáng)的內(nèi)部氫核聚變成氦核的熱核反應(yīng)理論，回答了恒星能量的來(lái)源問(wèn)題。這一貢獻(xiàn)使他獲得了1967年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，推動(dòng)了恒星結(jié)構(gòu)和演化的研究。漢斯·貝特（Hans

AlbrechtBethe，1906—2005年）錢(qián)德拉塞卡爾（Subrahmanyan

Chandrasekhar，19l0—1995）對(duì)恒星結(jié)構(gòu)和演化的理論研究，福勒（William

Alfred

Fowler，1911—1995）對(duì)宇宙中化學(xué)元素形成的理論和實(shí)驗(yàn)研究共同獲得1983年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。雷蒙德·戴維斯(Raymond

Davis,1914—2006)

是20世紀(jì)50年代唯一一位敢于探測(cè)太陽(yáng)中微子的科學(xué)家。中微子可能與氯原子核發(fā)生反應(yīng)生成一個(gè)氬原子核和一個(gè)電子，探測(cè)是否生成氬原子核就可證實(shí)中微子的存在。為了捕獲中微子，戴維斯領(lǐng)導(dǎo)研制了一個(gè)新型探測(cè)器，它的主體是一個(gè)注滿(mǎn)615噸四氯乙烯液體的巨桶，埋藏在美國(guó)一個(gè)廢棄的礦井中。在30年的探測(cè)中，他共發(fā)現(xiàn)了來(lái)自太陽(yáng)的約2000個(gè)中微子，并證實(shí)了太陽(yáng)是靠核聚變提供燃料的。戴維斯獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，諾獎(jiǎng)委員會(huì)稱(chēng)他的工作“相當(dāng)于在整個(gè)撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。太陽(yáng)中微子探測(cè)——多信使天文學(xué)戴維斯首次測(cè)量了太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子的流量，發(fā)現(xiàn)大約只有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型計(jì)算出來(lái)的三分之一。太陽(yáng)中微子的缺失問(wèn)題成為太陽(yáng)物理和粒子物理研究不可回避的問(wèn)題，導(dǎo)致對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的質(zhì)疑和關(guān)于中微子振蕩的猜想——電子中微子、μ子中微子和

中微子之間發(fā)生了轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)中微子虧失之謎——多信使天文學(xué)美國(guó)萊因斯1956年首次探測(cè)到了中微子，獲1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格等1962年因

子中微子發(fā)現(xiàn)，獲1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)美國(guó)戴維斯（1968年）和日本小柴昌?。?987年）在“探測(cè)宇宙中微子”方面取得的成就，導(dǎo)致了中微子天文學(xué)的誕生；賈科尼在“發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源”方面取得的成就，導(dǎo)致了X射線天文學(xué)的誕生。他們榮獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，打開(kāi)了人類(lèi)觀測(cè)宇宙的兩個(gè)新“窗口”日本梶田隆章和加拿大阿瑟·麥克唐納在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，實(shí)際證明中微子是有質(zhì)量的，他們榮獲2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中微子觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)得了4次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)多信使天文學(xué)引力波宇宙線中微子光子中國(guó)“人造太陽(yáng)”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置太陽(yáng)系外行星——類(lèi)太陽(yáng)恒星的研究，天體生物學(xué)（三）2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主馬約爾和奎洛茲1995年10月，馬約爾（Michel

Mayor）和奎洛茲（Didier

Queloz）發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)太陽(yáng)系外的行星，環(huán)繞著一顆類(lèi)太陽(yáng)恒星旋轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)掀起了一場(chǎng)革命，在銀河系中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)5000顆系外行星。這些奇異未知的新世界或許有一天，讓我們可以回答宇宙中是否存在其他生命？）一個(gè)另外的“太陽(yáng)系”——

Mira太陽(yáng)是銀河系幾千億顆恒星中非常普通的一顆Hertzsprung–Russell

diagram被稱(chēng)為赫羅圖，描述恒星光譜類(lèi)型和恒星亮度的關(guān)系。恒星光譜類(lèi)型，表現(xiàn)為恒星的顏色（太陽(yáng)的顏色是橘黃色）；恒星亮度以太陽(yáng)亮度為基準(zhǔn)。Trappist-1恒星系統(tǒng)內(nèi)太陽(yáng)系地球火星在哈佛史密松教師指導(dǎo)計(jì)劃幫助下，16歲的高中生Kartik

Pinglé

和18歲的Jasmine

Wright，基于TESS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)環(huán)繞類(lèi)太陽(yáng)恒星TOI-233的4顆行星，其中一顆屬于“超級(jí)地球”，論文發(fā)表于ApJ，成為最年輕的天文學(xué)家。天體生物學(xué)古遺傳學(xué)前生命化學(xué)合成生物學(xué)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)第一顆銀河系外行星（NatureAstron

2021）極端太陽(yáng)活動(dòng)——空間天氣和氣候?qū)W（四）hestrongestsolarstorminhistory-CarringtoneventonSept1,

1859百年來(lái)最強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴,

March

10,

1989Theoutage

ofQuebacpower

system百年來(lái)第二強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴——HalloweenEvent2003:globalmagneticconnectivity&

interaction第25太陽(yáng)周最強(qiáng)活動(dòng)區(qū)AR13664，產(chǎn)生1989年以來(lái)最強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴2024年5月8日—15日共爆發(fā)13次X級(jí)耀斑2024年5月8日—11日爆發(fā)多次日冕物質(zhì)拋射和超強(qiáng)地磁暴動(dòng)圖超強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)導(dǎo)致2003年萬(wàn)圣節(jié)事件以來(lái)的最強(qiáng)地磁暴受5月8-9日CME的影響，10-11日產(chǎn)生Kp達(dá)到-9，Dst<-400

nT的超強(qiáng)地磁暴。全球約5000枚人造航天器主動(dòng)變軌和機(jī)動(dòng)提升其軌道高度，以抵消地磁暴所造成的軌道拖曳效應(yīng)，防止被“拖曳下落”軌道高度在400公里左右的衛(wèi)星軌道衰減明顯變大，量級(jí)在每天660m米左右新疆阿勒泰內(nèi)蒙古錫林郭勒新疆哈密鹽池甘肅敦煌北京八達(dá)嶺長(zhǎng)城太陽(yáng)活動(dòng)周——太陽(yáng)和恒星發(fā)電機(jī)理論（五）太陽(yáng)黑子周期的長(zhǎng)期變化（by

Hathaway）Science提出125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)問(wèn)題太陽(yáng)物理涉及5個(gè)問(wèn)題最直接的是：是什么驅(qū)動(dòng)了太陽(yáng)的磁活動(dòng)周？相關(guān)聯(lián)的是：行星是怎樣形成的？是什么導(dǎo)致了地球小冰期的存在？是什么導(dǎo)致地磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)？太陽(yáng)系外是否或曾經(jīng)有生命存在？太陽(yáng)活動(dòng)的長(zhǎng)期變化對(duì)氣候可能有重要和復(fù)雜的影響蒙德極小期道爾頓極小期公元650—1900年樹(shù)木年輪中C14同位素含量蒙德極小期道爾頓極小期第25太陽(yáng)周（2019年12月開(kāi)始）近況青年學(xué)者姜杰與合作者完成第一個(gè)基于太陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)理論的準(zhǔn)確太陽(yáng)周預(yù)報(bào)模型磁場(chǎng)分布：彩色陰影區(qū)域?qū)?yīng)環(huán)向磁場(chǎng)；實(shí)（虛）線—極向磁場(chǎng)第25太陽(yáng)周的太陽(yáng)活動(dòng)水平將比第24太陽(yáng)周強(qiáng)約10%，但將不是一個(gè)新的蒙德極小期的開(kāi)始。三、前所未有的科學(xué)機(jī)遇天文學(xué)中重大的科學(xué)問(wèn)題前所未有的重大設(shè)備重要的基礎(chǔ)研究積累開(kāi)放的數(shù)據(jù)政策2002年雷蒙德·戴維斯小柴昌俊里卡爾多·賈科尼發(fā)現(xiàn)宇宙中微子發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源2006年約翰·馬瑟喬治·斯穆特發(fā)現(xiàn)微波背景不均勻性2011