太阳太阳------地球地球-- --人类人类日地空间环境日地空间环境北京天文馆景海荣博士Tel: 51583068 Mail: hrjing@一、 太阳概况 二、太阳的结构 三、太阳活动 四、日地关系 五、研究意义一、 太阳概况 1、太阳是银河系中一颗普通的恒星，距离 银河系的中心约3万光年，公转周期约2 亿年，目前位于主序阶段，已有50亿年 的历史；估计其寿命还有50亿年(到白矮 星阶段) ； 2、日地平均距离 1亿5千万公里； 3、太阳的半径为 6.96*105公里（69万6千 公里）；是地球半径的109倍，它的体积 约为地球体积的130万倍；4、太阳的质量1.989*1030 kg，是地球质量的33 万倍（地球质量为5.97*1024 kg)； 平均密度1.408g/cm3；表面重力加速度274m/s2 5、地球接收太阳总辐射能的22亿分之一 6、太阳的自转在两极和赤道不同，赤道区转速快 ，极区转速慢，在赤道处自转周期约25天，极区 约29天，称为较差自转 测量方法：天体测量学 如：距离：雷达、三角视差、红移等质量：万有引力定律太阳自转情况：红色表示转速快，兰色表示转速慢二、太阳的结构 1、核反应区（0--0.25R) : 太阳能量的主要来 源，产能机制是氢聚变为氦的热核反应，中 心区温度1500万度，质量占太阳总质量的一 半以上; 2、辐射区（0.25--0.75R) ：核反应区的能量 以辐射的形式向外传送，温度下降一个量级; 3、对流层（0.75--1R) ：太阳物质上下翻滚， 形成湍流，以物质对流的形式向外传能，对 流运动本身以米粒和超米粒的形式在表面表 现出来，温度又下降一个量级;4、光球层: 人眼所看见的明亮圆盘，温度 5770K，太阳的可见光绝大部分从这里发出 ，厚度约500公里； 5、色球层：光球层之上厚约2000公里的太阳 大气，在日全食或用色球望远镜可见，其温 度又开始上升； 6、日冕区：太阳的外层大气，没有明显的外 边界，日全食时可见，温度达到百万度。
• 观测、分析获得结果 • 太阳内部结构的观测手段：日震学 • 太阳表面的震荡 • 三、宁静太阳 • 基本上是一颗球对称和稳定的恒星， 她 是时间上稳定、空间上球对称和均匀地 向四面八方辐射的其物理性质在空间 上只随日心距变化，在同一半径的球层 中物理性质是相同的三、太阳活动 1、太阳黑子：光球面上经常出没的暗黑斑点；因温 度相对较低而显得黑（约4500度），太阳黑子的 本质是太阳上的磁场聚集区 小黑子的线度只有几百公里，而大黑子可达20万公 里，黑子的寿命从几分钟到几个月不等黑子多出现在低纬度区，经常成对或成群出现， 黑子群中一般有两个主要黑子，它们的极性相反 ，前面的称为前导黑子（西边），后面的称为后 随黑子，前导黑子距太阳的赤道较近 太阳黑子数的变化有11年的周期性，其在日面纬度 上的分布也有11年的变化周期磁场聚集区为什么温度较低？两种解释：a、磁流管组成的磁场区部分地仰制了对流，致 使对流层中的能量不能充分向上传输，造成黑子温度比周 围低；b、阿尔文波带走了能量 太阳上几乎所有的活动都是由于太阳黑子引起的• 2、太阳耀斑：邻近黑子上方的突发明亮物，是 太阳大气中的一种不稳定过程，它在短时间（几 分钟到十几分钟）内释放大量的能量，引起局部 区域瞬时加热和各种电磁辐射及粒子辐射突然增 强，又称色球爆发。
• 一次大的耀斑爆发所释放的能量相当于上百亿枚 百万吨级氢弹的爆炸所释放的能量 • 白光耀斑： 较为少见的太阳剧烈活动现象，可直 接观测； • X射线耀斑 、质子耀斑 • 耀斑的出现频度和黑子数有关，即在太阳活动丰 年耀斑活动频繁TRACETRACE卫卫 星在空间观星在空间观 测到的测到的20002000 年年7 7月月1414日日 大耀斑紫外大耀斑紫外 线资料编辑线资料编辑 的电影这是欧洲宇航局和美国国家航空航天局联 合发射的SOHO卫星得到的2000年7月14日大 耀斑的远紫外线观测资料• 3、日珥：突出在日面边缘的白炽气体喷射物， 形状似耳，高度可达几十万公里； • 宁静日珥：悬浮于色球上的日冕区，可保持几天 到几周的时间； • 爆发日珥：激烈活动的日珥，持续时间为几分钟 到几个小时 • 暗条：日面中心的日珥 • 日珥的形成也和黑子密切相关• 4、日冕物质抛射（CME)：突发的、持续时间为 几十分至两小时的物质抛射 • 日冕物质抛射和太阳耀斑及爆发日珥有关 ，但它们也能够独立出现，其出现的频度 也和黑子活动周有关20002000年年7 7月月1414日发生的日冕物质抛射日发生的日冕物质抛射 。
2002-1-42002-1-4• 5、冕洞：日冕上形状不规则的黑暗区域，它和日 冕上的磁场开放区有关，多出现在极区，存在时 间较长（几个月），是强太阳风的风源• 6、太阳风：日冕抛向行星际空间的粒子流由于 日冕处于膨胀状态，因而，无论是否存在太阳活 动，都有稳定的太阳风流出（320-710公里/秒） ，一般情况下太阳风的平均流速为450公里/秒 • 太阳风暴：太阳活动（耀斑、爆发日珥、日冕物 质抛射等）所引起的高速、高密粒子流• 四、日地关系 • 太阳活动所产生的各种电磁辐射和粒子流 对地磁场、地球大气以及气候变化所产生 的影响 • 太阳赐给 • 地球生命对流层 10C对流层顶 -50C平流层臭氧层 -10C中间层 -80C电离层 0CDD70-90,长波E100-120，中波F160-450，短波• 地球表面的平均气温是摄氏14度，如果没 有大气，则为-21度 • 对流层主要通过地面的红外辐射加热，所 以对流层的温度随着高度降低；臭氧层吸 收太阳的紫外辐射，因此温度升高；高度 再增长时，温度下降；到达电离层时，由 于吸收太阳的x射线，温度又迅速升高，最 高温度可达摄氏1100度。
电离层之外是地 球的外层大气，延伸到地球外2-3千公里太阳活动对地球的影响 • 地球磁场—地球的保护衣自转轴磁轴磁层顶• 地磁暴：地球磁场的强烈扰动地磁暴的形成是 由太阳活动产生的高速太阳风压缩地球磁层引起 的，是磁层把从太阳风捕获的能量在自身内部进 行释放的过程 • 磁层的扰动影响与其相连的地球电离层和地层大 气，使整个地球大气层都发生相应的扰动• 1、地球磁场变化引起罗盘失灵，影响飞机船舶 航行及雷达的正常工作；同时地磁场的变化也会 对电力系统及输油管道的正常工作产生影响，因 为强烈的磁暴在闭合导电回路中产生强大的感应 电流，使输电线路发生故障 • 2、太阳活动对电离层的扰动影响无线电通讯 电离层（70-400公里）是由于太阳辐射引起地球 大气分子电离产生的，太阳辐射的变化将引起电 离层的变化 • 无线电波是通过电离层的反射而传播的，电离层 的运动和变化增加了传播信号的噪声，低层（D ）的吸收降低信号的强度• 夜晚的短波通讯效果比白天好稳定） • 正常情况下，电离层中的扰动幅度较小，不会对 通讯产生太大影响，但太阳活动造成的电离层状 态突变会使通讯中断 • 3、太阳活动所产生的高能粒子流对宇航员及卫星 系统造成危害。
• 4、极光现象：常出现与地磁极附近大气中的彩色 发光现象来自太阳的高能粒子流在地磁场的作 用下，沿磁力线飞向极区 ，使高层大气中的分子 或原子激发或电离而产生• 5、太阳活动和地球气候变化的关系 • 大量的统计资料表明，太阳活动和地球气 候变化具有相关性 • 三个因素： • 太阳总输出能量的变化（一个黑子周期间 变化幅度小于0.1%太阳常数-垂直太阳 方向单位面积上在单位时间接收到的太阳 辐射能约为1.96卡／(厘米2分钟=1.37千 瓦/米2)）； • 紫外和远紫外辐射的变化； • 太阳风和磁场的变化• 太阳活动中紫外和远紫外辐射的变化很大 太阳电磁辐射对地球表面和大气层的加热， 形成了大气层的温度垂直分布结构和大气环 流，尤其是在对流层中造成了各种复杂的大 气现象太阳电磁辐射中，波长短于1400埃 的紫外部分，是造成地球大气电离层和臭氧 层的主要电离源这些辐射会引起地球上层 大气的扰动及臭氧层的变化 • 太阳活动产生的高速太阳风扰动地球磁场产 生磁暴，加热高层大气，引起气压的变化， 产生大气环流，导致气候的变化The Earth’s rotation twists the convection currents to establish global atmospheric circulation patterns.The Earth’s rotation• 6、某些细菌和微生物的活动也可能受太阳 辐射的制约； • 某些疾病如流行性感冒，心血管疾病等也 与太阳黑子数有关； • 7、树木生长的年轮圈的疏密情况明显地呈 现11年的周期性，主极大对应于活动的峰 年。
• 太阳峰年地面上的紫外线有多少？• 8、太阳活动和地震有关吗？ • 地震：地球板块的错动、断裂及滑动等 • 大量的统计结果显示，地震也呈现11年和 22年的活动周期，与黑子活动有关根据 地磁扰动进行地震预报也取得了一定的成 功原因何在？• 太阳活动发出的大量辐射和带电粒子流使地 磁场受到强烈扰动，磁暴可在地壳中产生力 的作用，成为地震的导火索 • 太阳耀斑触发了地震，高能粒子形成潮汐一 样的能量波，其中的甚低频辐射使已积聚巨 大应力的断层发生共振• 五、研究意义 • 1、太阳活动预报 • 2、开发利用太空 • 卫星：侦察、气象、资源、通讯、导航 • 空间站、空间望远镜等 • 空间太阳能发电站 • 无线能量传输 • 3、探索宇宙奥秘 • 各种宇宙飞船 • 我国太阳研究简介历史上若干重大空间灾害性事件历史上若干重大空间灾害性事件 • • 19581958年年2 2月月9-109-10日，地磁暴造成北大西洋电日，地磁暴造成北大西洋电 报电缆中断，多仑多停电；报电缆中断，多仑多停电； • • 19721972年年8 8月月4 4日，强磁暴使美国伊力诺斯等日，强磁暴使美国伊力诺斯等 州电力电缆中断，变压器损坏；州电力电缆中断，变压器损坏； • • 19791979年年3 3月，对越自卫反击战时，大耀斑导月，对越自卫反击战时，大耀斑导 致部队无线通讯完全中断；致部队无线通讯完全中断； • • 19891989年年3 3月月13-1413-14日，强磁暴造成加拿大魁日，强磁暴造成加拿大魁 北克地区电网停电；全球无线电通讯受到北克地区电网停电；全球无线电通讯受到 干扰，日本一颗通讯卫星异常；美国一颗干扰，日本一颗通讯卫星异常；美国一颗 卫星轨道下降；卫星轨道下降；• • 19901990年太阳峰期，高能粒子造成我国风云年太阳峰期，高能粒子造成我国风云- - IBIB气象卫星提前报废；气象卫星提前报废； • • 19911991年年4 4月月2929日，强磁暴发生后使美国缅因日，强磁暴发生后使美国缅因 州核电厂发生灾难性破坏；州核电厂发生灾难性破坏； • • 19971997年年1 1月月6-116-11日的日的日冕物质抛射日冕物质抛射 使使AT&TAT&T 公司通讯卫星报废；公司通讯卫星报废； • • 19981998年年5 5月月1919日美国银河四号通讯卫星失效日美国银河四号通讯卫星失效 , ,同时同时 德国一颗科学卫星报废。
德国一颗科学卫星报废• SOHO: Solar and Heliospheric Observatory 太阳与日光层观测器• 欧洲空间局和美国航空航天局联合发射 • 发射日期：1995年12月2日, 1996年2月14日到达 其永久位置 • 重量：2吨 • 距地球的距离：0.01AU=150万公里 • www. S谢谢。