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1、第六章、光球活动和磁场第六章、光球活动和磁场内容内容6-1 太阳活动区太阳活动区6-2 太阳黑子的观测特征和分类太阳黑子的观测特征和分类6-3 光斑、谱斑和小磁度磁场光斑、谱斑和小磁度磁场6-4 太阳活动起源与发电机理论太阳活动起源与发电机理论6-1 太阳活动区太阳活动区主要的太阳活动现象主要的太阳活动现象黑黑子子、光光斑斑、谱谱斑斑、日日珥珥（暗暗条条）及及日日冕冕凝凝聚区等结构。聚区等结构。太太阳阳光光谱谱的的极极紫紫外外、紫紫外外、X射射线线和和射射电电辐辐射射的渐进或爆发式的增强，如耀斑、射电暴等。的渐进或爆发式的增强，如耀斑、射电暴等。太太阳阳等等离离子子体体的的运运动动和和抛抛射射
2、以以及及高高能能粒粒子子的的加加速速等等，如如日日冕冕物物质质抛抛射射(CME)、太太阳阳高高能能粒子事件粒子事件 等。等。活活动动区区：太太阳阳各各种种活活动动现现象象集集中中的的强强磁磁场场区区域域。磁磁能能的的存存储储和和释释放放，以以及及磁磁场场的的拓拓扑扑结结构构控控制制着着不不同同的活动现象。的活动现象。典型活动区的发展史典型活动区的发展史1天天：日日面面出出现现一一个个亮亮点点，H 纤纤维维的的系系统统排排列列，出出现现光光斑斑和和谱谱斑，小黑点在谱斑中出现。斑，小黑点在谱斑中出现。2天：小黑点发展为前导黑子。天：小黑点发展为前导黑子。3天：黑子半影出现。天：黑子半影出现。4-5
3、天天：极极性性相相反反的的后后随随黑黑子子出出现现，形形成成黑黑子子群群。第第一一个个耀耀斑斑爆爆发发。光光斑斑和和谱谱斑斑的的亮亮度度和和区区域域不不断扩展。断扩展。2周周：黑黑子子群群发发展展到到最最大大阶阶段段，太阳活动最显著。太阳活动最显著。4-5周周：黑黑子子逐逐渐渐消消失失；谱谱斑斑区区域域继继续续扩扩大大；耀耀斑斑稀稀少少；暗暗条条出出现。现。典型活动区的发展史典型活动区的发展史2个个月月：遗遗留留的的前前导导黑黑子子消消失失；光光斑斑区区域域的的亮亮度度减减小小；磁磁场场分分布布极极不不规规律律；暗暗条条不不断断增增大，近似东西向排列。大，近似东西向排列。3-4个个月月：光光斑
4、斑区区域域消消失失；磁磁场场强强度度继继续续减减小小；暗暗条条达达到到最长，基本平行于赤道。最长，基本平行于赤道。5-6个个月月：活活动动区区磁磁场场仍仍可可测测量量，逐逐渐渐消消失失在在太太阳阳大大尺尺度度磁磁场场中中；暗暗条条仍仍可可见见，最最后后移向极区或分解、爆发消失。移向极区或分解、爆发消失。6-2 太阳黑子的观测特征和分类太阳黑子的观测特征和分类一、太阳黑子的形态和结构一、太阳黑子的形态和结构1.单个黑子单个黑子本本影影半半影影高分辨率的观测表明，在本影中存在类似米粒结构的亮点，说明对流没有被磁场完全抑制。高分辨率的观测表明，在本影中存在类似米粒结构的亮点，说明对流没有被磁场完全抑
5、制。亮桥亮桥一、太阳黑子的形态和结构一、太阳黑子的形态和结构2.黑子群黑子群前前导导黑黑子子后后随随黑黑子子西西东东一、太阳黑子的形态和结构一、太阳黑子的形态和结构3.发展过程、寿命发展过程、寿命形形态态由由简简单单变变复复杂杂，再变简单再变简单寿寿命命：短短的的1-2天天，长长的的几几个个月月，一一般般10-20天天4.黑黑子子是是活活动动区区的的核核心和最明显标识。心和最明显标识。一、太阳黑子的形态和结构一、太阳黑子的形态和结构5. Evershed 流流: 在在黑黑子子半半影影中中观观测测到到的的从从黑黑子子中中心心持持续向外的水平流动，已有续向外的水平流动，已有100多年历史。多年历史
6、。Hinode卫星观测的Evershed流本影半影M.Franz,Onthesurfacestructureofsunspots,AstronomischeNachrichten,333,Vol.10,pp.1009(2012)二、黑子群的分类二、黑子群的分类1.黑子群的磁分类黑子群的磁分类 型型单单极极群群，极极性性相相同同的的一一个个或或一一群群黑黑子（子（46%） 型型极极性性相相反反的的一一对对或或一一群群黑黑子子，前前导导和后随黑子的极性相反。（和后随黑子的极性相反。（53%） 型型复复杂杂群群，黑黑子子群群中中的的极极性性分分布布不不规规则。（则。（1%） 型型同同一一半半影影中中
7、又又彼彼此此相相距距在在2以以内内的的异异极性黑子。极性黑子。二、黑子群的分类二、黑子群的分类2.黑子群的楚里士分类黑子群的楚里士分类不不考考虑虑黑黑子子磁磁场场的的性性质质，仅仅根根据据黑黑子子形形态态结结构构的的复复杂杂性性，进进行分类。行分类。示意图实际观测三、黑子的磁场分布三、黑子的磁场分布r0: 黑子半径黑子半径北京怀柔观测台观测的黑子磁图北京怀柔观测台观测的黑子磁图太太阳阳黑黑子子的的磁磁场场模模型型。一一般般认认为为在在光光球球层层下下，黑黑子子磁场可能由一些尺度更小的磁通量管组成。磁场可能由一些尺度更小的磁通量管组成。(a)(b)MHD三维模拟得到的黑子磁场精细结构三维模拟得到
8、的黑子磁场精细结构.http:/www.hao.ucar.edu/research/lsv/lsvSunspotsBackground.php四、黑子磁场的形成和衰减四、黑子磁场的形成和衰减1、黑子及太阳表面强磁通量管的形成。、黑子及太阳表面强磁通量管的形成。a.磁浮力。磁浮力。光球(b) 磁通量管上升后磁通量管上升后在水平方向上，磁通量管内外压力平衡，导致等离子体管内密度小于管在水平方向上，磁通量管内外压力平衡，导致等离子体管内密度小于管外密度，管获得一向上的浮力。外密度，管获得一向上的浮力。光球(a) 磁通量管上升前磁通量管上升前黑子浮现形成过程示意卡通黑子浮现形成过程示意卡通.三维三维M
9、HD模拟的磁通量从光球层下浮现形成一对双极性黑子的过程模拟的磁通量从光球层下浮现形成一对双极性黑子的过程.四、黑子磁场的形成和衰减四、黑子磁场的形成和衰减1、黑子及太阳强磁通量管的形成。、黑子及太阳强磁通量管的形成。a.磁浮力。磁浮力。b.对流涡旋的磁驱逐。对流涡旋的磁驱逐。在在光光球球层层，由由于于冻冻结结效效应应，并并且且等等离离子子体体的的 比比较较高高，超超米米粒粒元元胞胞的的对对流流速速度度场场将将把把磁磁场场扫扫荡荡驱驱逐逐到到元元胞胞边边界界的的汇汇聚聚流流中中心心，在在元元胞胞边边界界形形成强的磁通量管结构。成强的磁通量管结构。四、黑子磁场的形成和衰减四、黑子磁场的形成和衰减1
10、、黑子及太阳强磁通量管的形成。、黑子及太阳强磁通量管的形成。a.磁浮力。磁浮力。b.对流涡旋的磁驱逐。对流涡旋的磁驱逐。c.磁通量管的对流塌缩。磁通量管的对流塌缩。如如果果磁磁通通量量管管中中的的温温度度梯梯度度超超过过绝绝热热变变化化的的温温度度，将将导导致致对对流流不不稳稳定定性性。如如果果磁磁通通量量管管中中的的等等离离子子体体主主要要体体现现为为向向下下的的运运动动，不不稳稳定定性性将将会会使使管管中中的的等等离离子子体体被被逐逐渐渐抽抽空空。为为了了维维持持管管内内外外的的压压力力平平衡衡，磁磁场场必必然然向向管管内内收收缩缩，导致通量管磁场强度的增强。导致通量管磁场强度的增强。磁通
11、量管中的对流塌缩不稳定磁通量管中的对流塌缩不稳定四、黑子磁场的形成和衰减四、黑子磁场的形成和衰减2、黑子磁场的衰减。、黑子磁场的衰减。a.磁流管缩回到光球下面。磁流管缩回到光球下面。b.随太阳风抛射到行星际空间。随太阳风抛射到行星际空间。c.磁能转化为热能和物质运动动能而耗散掉。磁能转化为热能和物质运动动能而耗散掉。d.磁场的扩散和对流输运。磁场的扩散和对流输运。五、五、Wilson效应和凹陷效应和凹陷对对一一个个对对称称的的黑黑子子，当当它它在在日日面面边边缘缘时时，其其靠靠近近日面边缘的半影宽度比远离边缘的半影宽度要宽。日面边缘的半影宽度比远离边缘的半影宽度要宽。物理解释：物理解释：在在日
12、日面面中中心心观观测测到到的的黑黑子子光光深深 =1对对应应的的几几何何深深度度随随黑黑子子半半径的变化。径的变化。在日面边缘的情况在日面边缘的情况半径半径半径半径日面边缘日面边缘六、黑子的活动规律和周期六、黑子的活动规律和周期1.黑子的相对数与太阳活动周期黑子的相对数与太阳活动周期1848年年Wolf首首先先提提出出用用黑黑子子相相对对数数来来表表示示日日面面可见半球黑子多寡，其定义为可见半球黑子多寡，其定义为 R = K (10 g + f )其其中中g和和f分分别别表表示示当当天天观观测测到到的的日日面面上上出出现现的的黑子群和黑子数，黑子群和黑子数，K为换算因子。为换算因子。黑子活动周
13、期：11年Maunder极小期六、黑子的活动规律和周期六、黑子的活动规律和周期2. Sporer定律和定律和Maunder蝴蝶图蝴蝶图日面出现黑子群的平均纬度随太阳活动周的进程而变化。日面出现黑子群的平均纬度随太阳活动周的进程而变化。六、黑子的活动规律和周期六、黑子的活动规律和周期3. Hale极性定律极性定律在在同同一一活活动动周周中中北北半半球球双双极极黑黑子子群群的的前前导导黑黑子子与与南南半半球球的的后后随随黑黑子子为为同同一一极极性性；北北半半球球双双极极黑黑子子群群的的后后随随黑黑子子与与南南半半球球的的前前导导黑黑子子为为同同一一极极性性。在下一活动周，南北半球双极群的极性顺序发
14、生变化。在下一活动周，南北半球双极群的极性顺序发生变化。6-3、光斑、谱斑和小磁度磁场、光斑、谱斑和小磁度磁场一、光斑一、光斑光光斑斑：用用白白光光观观测测光光球球时时，在在黑黑子子周周围围看到的一些比宁静光球明亮的小片区。看到的一些比宁静光球明亮的小片区。一、光斑一、光斑位置：位置：在日面在日面0.6R r （T, ) 光球光球 相同几何深度：相同几何深度： （T, ) 光斑光斑 1天天网络内场网络内场超米粒超米粒元胞内元胞内新新磁磁通通量量浮现浮现平平衡衡的的多多极性极性由由超超米米粒粒元元胞胞内内向向边界运动边界运动n*100m/s5-25,401016-1018(15-30%)几分钟几
15、分钟几十分钟几十分钟SDO/HMI 观测的日面磁图（观测的日面磁图（20121021）。）。6-4、太阳活动起源与发电机理论、太阳活动起源与发电机理论太太阳阳活活动动的的起起源源问问题题，本本质质上上就就是是太太阳阳表表面面磁磁场场的起源及其规律性的解释问题。的起源及其规律性的解释问题。观测：观测：Babcock于于50年代观测发现年代观测发现1.太太阳阳两两极极存存在在微微弱弱的的磁磁场场；南南北北极极性性相相反反；在在太太阳阳活活动动高年，南北极性反转。高年，南北极性反转。2.双双极极活活动动区区的的前前导导和和后后随随黑黑子子（群群）的的磁磁流流几几乎乎相相等等；活活动动区区磁磁场场依依
16、靠靠扩扩散散减减弱弱，存存在在前前导导部部分分向向赤赤道道扩扩散散，后随部分向极区扩散的倾向。后随部分向极区扩散的倾向。Leighton在在1969年年，在在Babcock的的经经验验模模型型基基础础上上，进进一一步步对对前前导导和和后后随随黑黑子子极极性性分分离离导导致致极极区区磁磁场场极性转换的现象进行了理论阐述。极性转换的现象进行了理论阐述。Babcock-Leighton学说学说本质：本质：太阳偶极磁场与太阳较差自转的相互作用。太阳偶极磁场与太阳较差自转的相互作用。(1)、太阳活动极小期的前、太阳活动极小期的前3年年(n=-3)。太太阳阳表表面面只只在在两两极极存存在在微微弱弱的的偶偶
17、极极场场，磁磁力力线线只只在在纬纬度度大大于于55度度的的区区域域穿穿出出太太阳阳表表面面，在在其其它它纬纬度度，磁磁场场仅仅存存于于太阳外壳层中。总磁通量约为太阳外壳层中。总磁通量约为 8 1021 Mx。(2). 从极小年前从极小年前3年到极小年年到极小年(n=-3至至n=0)。由由于于太太阳阳大大气气的的较较差差自自转转，将将偶偶极极场场的的磁磁力力线线拉拉伸伸，磁场强度逐渐增强。磁场强度逐渐增强。(3). 磁流管升浮成为黑子磁流管升浮成为黑子(n=0至至n=11)。当当磁磁场场强强度度达达到到临临界界值值时时，由由于于磁磁浮浮力力，磁磁流流管管开开始始上浮。当他们到达太阳表面时，成为一
18、个双极黑子。上浮。当他们到达太阳表面时，成为一个双极黑子。临界值：临界值：黑子出现的纬度：黑子出现的纬度：(4). 偶极场的极性反转偶极场的极性反转(n=0至至n=8)。双双极极活活动动区区的的后后随随部部分分向向极极区区扩扩散散，前前导导部部分分向向磁磁道道扩扩散散，导导致致原原来来偶偶极极场场的的逐逐渐渐被被中中和和，并并形形成成极极性性相相反反的的新偶极场。新偶极场。Leighton的随机行走磁场扩散理论模型的随机行走磁场扩散理论模型Leighton于于1969年年提提出出，根根据据磁磁冻冻结结效效应应，太太阳阳表表面面的的对对流流运运动动将将带带着着活活动动区区磁磁场场逐逐渐渐往往周周
19、围围扩扩散散，这这一一过过程程可可以以用用类类似似原原子子的的随随机机行行走走理理论论模模型型描描述述。经经过过时时间间 t 后后，原原子子与与出出发发点点的的距离为距离为其其中中N为为单单位位时时间间内内经经受受的的横横向向推推拖拖次次数数，L为为每每次次推推拖拖的的平平均均路路程程。根根据据观观测测，L 和和 (N-1 )可可以以分分别别取取为为超超米米粒粒的的尺尺度度和和寿寿命命。Leighton进进一一步步用用下下面面的的扩扩散散方方程程讨讨论论磁磁场场在在球球面面的的分分布：布：其其中中n为为磁磁流流管管的的面面密密度度。计计算算结结果果表表明明，处处在在中中纬纬度度而而且且相相对对
20、赤赤道道略略微微倾倾斜斜的的双双极极活活动动区区，其其后后随随极极性性向向极极区区的的扩扩散散率率可可以在半个活动周的时标内中和极区磁场。以在半个活动周的时标内中和极区磁场。可以成功解释的现象：可以成功解释的现象：Sporer纬度迁移定律；纬度迁移定律；Hale极性定律；极性定律；黑子相对数的变化规律；黑子相对数的变化规律；偶极磁场极性的反转；偶极磁场极性的反转；大部分黑子群为双极群；大部分黑子群为双极群；黑子群基本沿东西延伸且前导部分靠近赤道；黑子群基本沿东西延伸且前导部分靠近赤道；双极黑子群前导部分和后随部分的磁通量相等；双极黑子群前导部分和后随部分的磁通量相等；黑子群磁场的扩散。黑子群磁
21、场的扩散。太阳发电机理论简介太阳发电机理论简介 磁场随时间的增长和衰减满足感应方程磁场随时间的增长和衰减满足感应方程如如果果一一个个发发电电机机的的过过程程能能够够维维持持磁磁场场的的存存在在，则则要要求求等等离离子子体体 横横越越磁磁场场的的速速度度具具有有足足够够大大的的幅幅度度和和适适当当的的几几何何位位形形，使使方方程程右边第一项能够抵消第二项的欧姆耗散。右边第一项能够抵消第二项的欧姆耗散。 太太阳阳发发电电机机理理论论，就就是是在在现现有有的的太太阳阳速速度度场场（主主要要是是较较差差自自转转、对对流流以以及及子子午午环环流流等等）条条件件下下，寻寻求求可可以以形形成成太太阳阳的的极
22、极向向磁场和环向磁场之间可以不断相互转化的磁场解。磁场和环向磁场之间可以不断相互转化的磁场解。 原原则则上上，我我们们必必须须求求解解完完整整的的MHDMHD方方程程组组，考考虑虑磁磁场场和和等等离离子子体体运运动动的的相相互互影影响响。但但在在实实际际中中，要要做做到到这这点点，往往往往比比较较困困难。难。环型场环型场(toroidal field)和极型场和极型场(poloidal field)一一个个被被绝绝缘缘体体包包围围的的导导体体球球，可可将将磁磁场场的的失失势势A分分解解为为平平行行于半径和垂直于半径的两部分于半径和垂直于半径的两部分分分别别称称为为环环形形磁磁场场和和极极型型磁
23、磁场场。其其中中, 环环型型磁磁场场没没有有径径向向分分量量, 极型磁场具有径向分量极型磁场具有径向分量, 磁力线可以从导体球延伸到球外空间。磁力线可以从导体球延伸到球外空间。这两部分对应的磁场为这两部分对应的磁场为反发电机定理反发电机定理并并不不是是所所有有的的流流体体运运动动形形式式都都能能够够维维持持发发电电机机的的过过程程，如如：一个纯环型速度场并不能产生极型磁场。一个纯环型速度场并不能产生极型磁场。如如果果速速度度场场只只有有环环型型场场，则则 , 上上式式变变为为扩扩散散方方程程， 磁磁场场的径向分量的径向分量 将按指数衰减，而极型磁场必须有径向分量。将按指数衰减，而极型磁场必须有
24、径向分量。但是，但是，不存在普遍的反发电机定理不存在普遍的反发电机定理。运动学发电机理论运动学发电机理论2020世世纪纪5050年年代代到到6060年年代代，人人们们对对运运动动学学发发电电机机理理论论进进行行了了深深入入的的研研究究，其其目目的的在在于于寻寻找找可可以以产产生生稳稳定定磁磁场场或或增增长长磁磁场场的的速度场。速度场。之之所所以以叫叫“运运动动学学发发电电机机”，是是因因为为流流体体速速度度场场是是事事先先给给定定的的，然然后后要要问问：在在这这样样的的流流场场中中，一一个个初初始始磁磁场场是是随随时时间间减减小小到到零零呢呢？还还是是增增长长到到无无穷穷大大？抑抑或或保保持持
25、不不变变？它它不不要要求求速速度度场场满满足足流流体体动动力力学学方方程程，因因而而不不考考虑虑磁磁场场对对速速度度场场的的反反馈馈作作用用。这这意意味味着着，一一个个随随时时间间增增大大到到无无穷穷的的磁磁场场解解，对对于于运运动学发电机来说，也是一个合理的解。动学发电机来说，也是一个合理的解。 运动学发电机中磁场增强的机制运动学发电机中磁场增强的机制 效应和效应和 效应效应 一一些些基基本本的的科科学学概概念念往往往往是是借借助助于于简单而而本本质性性的的物物理理图象象，通通过合合理理的的逻辑推推理理而而得得到到的的。在在真真正正动手手求求解解复复杂的的方方程程组之之前前，构构想想这样的的
26、概概念念是是非非常常重重要要而而有有用用的的，它它可以使人可以使人们事先事先对结果有一个大致的估果有一个大致的估计。在在运运动学学发电机机理理论中中， “ 效效应”和和 “ 效效应”就就是是借借助助“冻结磁磁力力线”这一一直直观的的物物理理图象象所所得得到到的的重重要要概概念念。前前者者给出出极极型型磁磁场通通过流流体体的的差差动旋旋转而而产生生环型型磁磁场的的机机制制，后后者者给出出环型型磁磁场( (或或极极型型磁磁场) )通通过流流体体的的对流流和和太太阳阳自自转作作用用产生生极极型型磁磁场( (或或环型型磁磁场) )的的机机制制。以以这两两种种过程程为基基础，构构成成了了 “发电机机”、
27、“ 2 2发电机机”、“ 2 2 发电机机”等重要的运等重要的运动学学发电机机类型。型。 效效应假假设太太阳阳中中有有一一个个在在子子午午面面的的极极型型磁磁场，由由于于太太阳阳的的较较差差自自转转，极极形形磁磁场的的磁磁力力线将将被被差差动旋旋转的的运运动流流体体拖拖动而而偏偏离离子子午午面面，在极形在极形场之外又之外又产生了一个生了一个环型型场。这就是就是“ 效效应”。 效效应与与 效效应相相反反的的另另一一种种效效应叫叫“ 效效应”，其其来来自自于于径径向向的的对对流流场场和和科科里里奥奥利利力力的的作作用用。通通过这种种效效应，既既可可由由环型型场产生生极极型型场，也可由极型，也可由极
28、型场产生生环型型场。太太阳阳磁磁场场的的发发电电机机理理论论模模拟拟，模模拟拟结结果果表表明明太太阳阳磁磁场场的的演演化化和和太太阳阳对对流流层层的的较较差差速速度度场场、子子午午环环流流等等密密切切相相关关，特特别别是是在在对对流流层层底底部部和和辐辐射射层层之之间间（称称为为tachocline, 差差旋旋层层）存存在在的的角角向向速速度度场场的的径径向向梯度（或不均匀性）对太阳磁场的发电机过程具有重要作用。梯度（或不均匀性）对太阳磁场的发电机过程具有重要作用。更多的讨论可以参考综述文章：更多的讨论可以参考综述文章：Living Rev. Solar Phys.7(2010),3http:/www.livingreviews.org/lrsp-2010-3Dynamo Models of the Solar CyclePaulCharbonneau
