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丰富多彩的太阳活动

时间:2019-08-31    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

丰富多彩的太阳活动

 

  

太阳在不断地收缩

 

1976 年,美国青年天文学家埃迪提出,平均 11 年周期并非是太阳活动

的基本规律,从而引起至今还没有停息的激烈争论。一波未平,一波又起,

1979 年,他再次发表爆炸性意见:太阳在不断地收缩,每百年角直径缩小 2.25

角秒。

太阳圆面的角直径平均是 1919.26 角秒,照此说来,每百年太阳只缩小

直径的 850 分之一,可说是很不显眼的一点。折合成米来计算的话,也就是

每天太阳直径缩小 4.5 米弱。对于直径约 139.2 万公里的太阳来说,确实是

微乎其微。

不过,这也不容忽视。日积月累的结果,问题就大了。如果照此下去,

10 万年后会怎么样呢?岂不是太阳会缩小到“消失”不见吗?这样的爆炸性

意见自然会引起许多人的极大关注。

埃迪的说法也不是凭空而来的,他主要参考了英国格林尼治天文台的观

测资料。根据该天文台 1836~1953 年共 11 了年的太阳观测记录,他发现太

阳的角直径并非固定不变,而是在不断地减小,并得出了每百年减小 2.25

角秒的结论。此外,他另有证据:

(l)美国海军天文台从 1846 年以来 100 多年间的观测资料,同样表明

太阳在收缩;

(2)1567 年 4 月 9 日曾发生过一次日环食,这是有历史记载可查的。

可是,有人计算得出那本该是一次日全食。这是怎么回事呢?埃迪对此作了

解释:1567 年时的太阳要比现在的大一些,用现在的眼光和对太阳的认识来

看到那时应发生日全食,而实际是日环食,就是这个道理。


  

相反的意见

 

埃迪主要依靠的那些格林尼治观测资料可信吗?这是许多人首先提到

的。

1836 年前后那个时代,位于伦敦东南方向的格林尼治天文台,离城市比

较远,空气清新,透明度很好。此后的一个世纪里,伦敦城以越来越快的速

度扩大,人口增加,烟雾增多,严重影响观测,原来看起来明亮的太阳及其

清晰的轮廓,也变得暗淡和模糊了。在这种情况下,觉得太阳似乎比过去小

了些,这是完全可能的。顺便说一下,正是由于扩大了许多的伦敦城对天文

观测的影响太大了,实在无法再容忍下去,建立已有 200 多年的格林尼治天

文台,不得不于 1948 年搬迁到更南的苏塞克斯郡的赫斯特蒙苏城堡去,而仍

旧沿用格林尼治天文台的名称。

再说,曾经对太阳作过精细观测的天文台远非三两个,负有盛名的德国

哥廷根天文台就是其中之一。它于 1756~1760 年就用当时第一流的望远镜作

过观测,这些宝贵资料一直很好地保存着。待到太阳是否在缩小的争论正热

火朝天的时候,哥廷根天文台的工作人员再次拿来进行细致的归算,得到的

结果是太阳角直径为 1920.32 角秒,误差估计最多不会超过上下各 13 角秒。

也就是说,200 多年来太阳的大小基本上没有变化。退一步说,这至少要比

埃迪所说的 100 多年间的太阳小了 2.25 角秒的数值要小得多。

观测内行星凌日可以精确地推算出太阳的角直径。金星凌日和水星凌日

按理都可以加以利用,但金星凌日的机会不多,上两次分别在 1874 年和 1882

年,而下两次将在 2004 年和 2012 年发生。水星凌日的机会较多,平均每世

纪发生 13 次,从 1677 年的那次算起,到本世纪 80 年代末,总共发生过 42

次水星凌日,天文学家掌握着大量的观测资料。

水星凌日时,从地球上看起来,它就像个很小的黑点子在太阳面上缓慢

地移动着,从太阳的一处边缘进入日面到从另一边退出日面,往往得花好几

个小时。根据 300 多年的水星凌日精确记录,主要是它接触和离开日面的精

确时刻,天文学家发现太阳的大小没有什么显著变化,要说有小小变化的话,

那并非太阳的收缩,而是太阳角直径似乎增大了那么一点点。

不管怎么说,埃迪的论点并没有说服人,而其他人提出的反对理由强而

有力,针锋相对。历史资料是如此。当代的资料也是如此,就在埃迪于 1979

年提出它的观点之后两年,即 1981 年 7 月,英国科学家帕克斯利用一次日全

食的机会,进行了相关的观测,经过计算,他得出的太阳角直径为 1919.16

角秒,比现在采用的数值小 0.10 角秒左右。而比 200 多年前的数值大 0.10

角秒左右。这样的测量误差完全在允许范围之内。结论应该是:在最近两个

多世纪中,太阳的大小基本没有改变,至少没有像埃迪所说的改变得那么多。

  


日食作证

 

利用日食来验证太阳角直径的大小,是个聪明和简单易行的办法。日食

时,月球影子投在地面上时形成一条窄而长的影子带,如果这是一次日全食,

影子带被称做全食带,在全食带的人看到的是壮丽的日全食奇观;如果是一

次日环食,就叫环食带。

全食带也好,环食带也好,如果能够把食带两个边的位置测得很准,准

到误差不大于 229 米,由此反推出来的太阳角直径也将是非常准确的。实践

表明,误差不大于 229 米的要求是比较容易办到的,测出的太阳角直径误差

就不大于 0.12 角秒。

几位科学家主要利用了本世纪 70 年代的两次日全食观测资料,这两次日

全食分别发生在 1976 年 10 月 23 日和 1979 年 2 月 27 日。他们还参考了 1715

年 5 月 3 日日全食的历史记载,因为这次日全食的全食带刚好从英国人口密

度很大的地区穿过,曾引起广泛的兴趣。许多目视观察者的叙述成为确定全

食带边缘的可靠依据,而这些叙述和观测资料又经过著名天文学家哈雷的整

理和分析。一句话,历史记载是可信的、可靠的。

根据这三次相隔 264 年的日全食观测资料,得出的结果表明,其间太阳

角直径缩小了 0.68 角秒,相当于每世纪 0.26 角秒,几乎只及埃迪数值的

1/10。

1987 年 9 月 23 日,在我国境内可以看到一次机会相当不错的日环食,

上海天文台组织了两个观测小组,分别监测环食带的两处边缘。精心的观测

以及后来将结果与美国海军天文台等一起合作归算,得出本次日食时的太阳

直径改正数为—0.22 角秒,比先前的一些观测要精确得多了。把它与 1715

年的资料相比,表明在 1715~1987 年的 272 年间,太阳直径缩小约 820 公里,

即每天缩小约 8 米。尽管有关研究人员还不能对太阳直径缩小的真正原因提

出有说服力的解释,很明显的是,这个数值只及埃迪数值的 1/5 还不到。

法国巴黎天文台太阳物理实验室的科学家们另有新说,他们在系统地分

析历史资料的基础上,得出了太阳角直径过去大、后来小的结论。他们提出

至少在 1666~1683 年的那 10 多年间,太阳直径比现在要大 2.75 角秒,后来

才逐步变小到现在这样。这个观点与埃迪观点有某些类似的地方,而且把时

间往前推了一个半世纪。

总的说来,宇宙间的一切事物,当然也包括我们的太阳在内,都是在不

断地变化和发展着的,不可能一成不变地老停留在同一个状态。从这个角度

来说,太阳的持续变化是必然的,不变化则是不可能的。

不管太阳是胀、是缩,都是个至关重要的问题,都会关联到诸如太阳的

构造、演化,太阳与其他天体的关系等方面,以及影响一系列地球物理过程

和现象。至于像埃迪所说的,太阳以那么快的速度收缩,并且一直收缩下去,

这种可能性看来是很小、很小。


太阳在不断地收缩吗?

目前,这个问题还是错综复杂,迷雾重重,难以下断语,还需要长时期

地作深入细致的观测和探索工作。最后的结局将如何?现在还难以预料。

  

太阳在自转

 

太阳像其他天体一样,也在不停地绕轴自转,这在 400 年前是无人知道

的。最早发现太阳自转的人是意大利科学家伽利略,他在观测和记录黑子时,

发现黑子的位置有变化,终于得出太阳在自转的结论。他给出的太阳自转周

期为一个月不到。那是 17 世纪初的事。

太阳是个大气体球,它不可能像我们地球那样整个球一块儿自转,这是

不难理解的。早在 1853 年,英国天文爱好者、年仅 27 岁的卡林顿开始对太

阳黑子作系统的观测。他想知道黑子在太阳面上是怎样移动的,以及长期来

都说太阳有自转但这自转周期究竟有多长。几年的观测使他发现,由于黑子

在日面上的纬度不同,得出来的太阳自转周期也不尽相同。换句话说,太阳

并不像固体那样自转,自转周期并不到处都一样,而是随着日面纬度的不同,

自转周期有变化。这就是所谓的“较差自转”。

太阳自转方向与地球自转方向相同。太阳赤道部分的自转速度最快,自

转周期最短,约 25 日,纬度 40°处约 27 日,纬度 75°处约 33 日。日面纬

度 17°处的太阳自转周期是 25.38 日,称做太阳自转的恒星周期,一般就以

它作为太阳自转的平均周期。以上提到的周期长短,都是就太阳自身来说的。

可是我们是在自转着和公转着的地球上观测黑子,相对于地球来说,所看到

的太阳自转周期就不是 25.38 日,而是 27.275 日。这就是太阳自转的会合周

期。

如果我们连续许多天观测同一群太阳黑子,就会很容易地发现它每天都

在太阳面上移动一点,位置一天比一天更偏西,转到了西面边缘之后就隐没

不见了。如果这群黑子的寿命相当长,那么,经过 10 多天之后,它就会“按

期”从日面东边缘出现。

除了由黑子位置变化来确定太阳自转周期之外,用光谱方法也可以。太

阳自转时,它的东边缘老是朝着我们来,距离在不断减小,光波波长稍有减

小,反映在它光谱里的是光谱谱线都向紫的方向移动,即所谓的“紫移”;

西边缘在离我们而去,这部分太阳光谱线“红移”。

黑子很少出现在太阳赤道附近和日面纬度 40°以上的地方,更不要说更

高的纬度了,光谱法就成为科学家测定太阳自转的良好助手。光谱法得出的

太阳自转周期是:赤道部分约 26 日,极区约 37 日。这比从黑子位置移动得

出来的太自转周期要长一些,长约 5%。

为什么呢?

一种解释是:黑子有磁场,并通过磁力线与内部联结在一起,内部自转


得比表面快些,黑子周期就短些,而光谱得到的结果只代表太阳表面的情况。

这类问题的研究可以说现在只是才开头,其中的奥妙和真相还都说不清楚。

早在 20 世纪初,就有人发现太阳自转速度是有变化的,而且常有变化。

1901~1902 年观测到的太阳自转周期,与 1903 年得出的不完全一样。不久,

有人更进一步发现,即使是在短短的几天之内,太阳自转速度的变化可以达

到每秒 0.15 公里,这几乎是太阳自转平均速度的四千分之一;那是相当惊人

的。

1970 年,两位科学家在大量观测实践的基础上,得出了一个几乎有点使

人不知所措的结论。通过精确的观测,他们发现太阳自转速度每天都在变化,

这种变化既不是越转越快,周期越来越短,也不是越转越慢,周期越来越长,

而似乎是在一个可能达到的极大速度与另一个可能达到的极小速度之间,来

回变动着。

太阳自转速度为什么随时间而变化?有什么规律?这意味着什么?现在

都还说不清楚,只能说是些有待研究和解决的谜。

空间技术的发展使得科学家们有可能着手观测和研究太阳外层大气的自

转情况,主要是色球和日冕的自转情况。在日冕低纬度地区,色球和日冕的

自转速度,和我们肉眼看到的太阳表面层——光球来,基本一致。在高纬度

地区,色球和日冕的自转速度明显加快,大于在它们下面的光球的自转速度。

换句话说,太阳自转速度从赤道部分的快,变到两极区域的慢,这种情况在

光球和大气低层比较明显,而在中层和上层变化不大,不那么明显。

这种捉摸不透的现象,自然是科学家们非常感兴趣、有待深入的课题。

树有根,水有源。认为产生太阳自转的各种现象的根源在其内部,即在

光球以下、我们肉眼不能直接看到的太阳深处,这是有道理的。

日震可以为我们提供太阳内部的部分情况,这是一方面。更多的是进行

推测,当然,这种推测并非毫无根据,而是有足够的可信程度。譬如:根据

太阳所含的锂、铍等化学元素的多少来进行分析和推测;从赫罗图上太阳应

占的位置来看,太阳是颗主序星,根据所有主序星的平均自转速度进行统计,

来考虑和推测。

其结果怎么样呢?

不仅难以得到比较一致的意见,甚至还针锋相对:有的学者认为太阳内

部的自转速度要比表面快,快得多;另一些学者则认为表面自转速度比内部

快。

一些人认为:太阳自转速度随深度而变化,我们在太阳表面上测得的速

度,很可能还继续向内部延伸一段距离,譬如说大致相当于太阳半径的 1/

3,即约 21 万公里。只是到了比这更深的地方,太阳自转速度才显著加快。

包括地球在内,许多天体并非正圆球体,而是扁椭球体,其赤道直径比

两极方向的直径长些。用来表示天体扁平程度的“扁率”,与该天体的自转

有关。地球的赤道直径约 12756.3 公里,极直径约 12713.5 公里,两者相差


42.8 公里,扁率为 0.0034,即约 1/300。九大行星中自转得最快的两颗行

星是木星和土星,它们的扁率分别是 0.0637 和 0.102,用望远镜进行观测时,

一眼就可以看出它们都显得那么扁。

太阳是个自转着的气体球,它应该有一定的扁率,本世纪 60 年代,美国

科学家迪克正是从这样的角度提出了问题。根据迪克的理论,如果太阳内部

自转速度相当快,其扁率有可能达到 4.5/100000。太阳直径约 139.2 万公

里,如此扁率意味着太阳的赤道直径应该比极直径大 60 多公里,对于太阳来

说,这实在是微乎其微。可是,要想测出直径上的这种差异,异乎寻常地困

难,高灵敏度的测量仪器也未必能达到所需要的精度。

为此,迪克等人作了超乎寻常的努力,进行了无与伦比的超精密测量,

经过几年的努力,他得出的太阳扁率为十万分之 4.51±0.34,即在 4.85/

100000 到 4.17/100000 之间,刚好是他所期望的数值。1967 年,迪克等人

宣布自己的测量结果时,所引起的轰动是可想而知的。一些人赞叹迪克等人

理论的正确和观测的精密,似乎更多的人持怀疑态度,他们有根有据地对迪

克等人的观测精度表示相反意见,认为这是不可能的。

一些有经验的科学家重新做了论证太阳扁率的实验,配备了口径更大、

更精密的仪器,采用了更严密的方法,选择了更有利的观测环境,所得到的

结果是太阳扁率小于 1/100000,只及迪克所要求的 1/5 左右。结论是:太

阳内部并不像迪克等人所想象的那样快速自转。退一步说,即使太阳赤道部

分略为隆起而存在一定扁率的话,扁率的大小也是现在的仪器设备所无法探

测到的。

企图在近期内从发现太阳的扁率,来论证太阳内核的快速自转,可能性

不是很大。它将作为一个课题,长时间地反映在科学家们的工作中。不管最

后结论太阳是否真是扁球状的,或者太阳确实无扁率可言,都将为科学家们

建立太阳模型,特别是内部结构模型,提供非常重要的信息和依据。

至于为什么太阳自转得那么慢?为什么太阳各层的自转速度各不相同?

一些自转速度变化的规律又怎么样?等等,都还是未知数。

  

太阳的振荡

 

“地震”这个名词,我们都是很熟悉的。“月震”,也并不太生疏,它

是月壳的一种不稳定现象。1969 年,美国“阿波罗 11 号”飞船的宇航员在

月面上装置了第一台月震仪之后,记录到每天平均约有一次月震,而且都是

很微弱的。

太阳有“日震”吗?有。日震极为复杂,规模宏伟壮观,景象惊心动魄,

地震根本无法与之相比。日震最初是在 1960 年被美国天文学家莱顿发现的。

他在研究太阳表面气体运动时,发现它们竟是像心脏那样来回跳动,气体从

太阳面上快速垂直上升,随后再降落下来,一胀一缩地在振荡着。一些地方


的气体急剧振荡几次之后,好像跑得很急之后的喘口气那样缓和一段时间,

接着又开始新的一轮振荡。这种振荡平均每 5 分钟(精确地说,应该是 296

±3 秒)周期性地上下起伏重复一次,被称做“5 分钟振荡”。

进一步的观测研究表明,在一次振荡中,气体上下起伏的范围可以达到

好几十公里,这对于直径达 139 万多公里的太阳来说,自然算不了什么。使

人惊讶的是,发生振荡的不是太阳面上的一小片区域,而是在成千上万、甚

至好几十万平方公里的范围内,气体物质联成一片,好像在同一声口令下同

起同落。并且在任何一个时刻,太阳面上都有约 2/3 左右的地方在作这种有

规律的振荡。如此大面积的振荡真可以说是蔚为奇观,请你想一想,比地球

大好几倍的一片火海,其上火舌瞬息万变,火“波”汹涌澎湃,一忽儿上升,

一忽儿又很快下降,最生动的笔恐怕也难确切地描述其全貌。

5 分钟振荡的发现是天文学、特别是太阳物理研究中的一件大事,有着

划时代的意义。

我们知道,科学家对地震波进行研究之后,才得以了解地球内部结构,

我们现在掌握的这方面知识,几乎都是这样得来的。太阳内部我们更是无法

直接看到,而所谓的太阳振荡即日震,它的发现无异于为科学家们送来了一

具可“窃听”太阳内部深处的听诊器,各国科学家立即对之表现出巨大的兴

趣。

譬如说:太阳大气层最靠里面的那一层叫光球,它也就是我们平常看到

的太阳表面层。在光球下面的是对流层,这是很重要的一层,它起着承内启

外的作用。可是,我们无法看到它。而根据对 5 分钟振荡的观测和有关理论,

我们相信,对流层的厚度大体上是 20 万公里。当然,也有人认为对流层只是

很薄的一层。

太阳的 5 分钟振荡一般被看作是太阳大气中的现象,那么,是否可能它

也是周期更长的太阳整体振荡的组成部分呢?

从本世纪 70 年代开始,一些科学家设法寻找频率更低、周期更长的太阳

整体振荡。1976 年,前苏联克里米亚天体物理天文台的科学家们在研究光球

层时,发现太阳表面存在着一种重要的振荡,周期是 160 分钟,每次振荡太

阳都增大约 10 公里,随后又恢复到原先的状态。

前苏联科学家的发现很快由美国斯坦福大学的一批研究人员予以证实。

后来,人们从前苏联和美国的资料中,进一步得出更精确的周期为 160.01

分。不过,在相当一段时期里,有人怀疑太阳的 160 分钟振荡是否与地球大

气抖动有关。法国和美国的一个联合观测小组,成功地在南极进行了长达 128

小时的连续观测之后,最终把怀疑排除了。地球北半球是冬季时,南半球是

夏季,南极是极昼,即 24 小时太阳都在天空中,连续观测中就不存在大气周

日活动的影响问题。以 160 分钟为周期的太阳整体振荡得到确认,它确实来

自于太阳本身。

在研究 5 分钟振荡等的时候,科学家们出乎意料地发现,它们竟然还可


以分解为上百个长短不等的小周期,短的只 3 分钟,长的有 3 小时。这些五

花八门的小周期叠加在一起,真有点使人眼花缭乱 ,它们之间究竟有些什么

内在的联系?或者这些错综复杂的小周期预示着什么?现在确实还无可奉

告。

本世纪 60 年代,美国科学家迪克发现太阳并非是个圆气体球,它的两极

略扁,赤道部分则略微凸起。1983 年,迪克本人的观测结果表明,太阳的形

状并非固定不变,它的扁率发生周期振动,周期是 12.64 天。

有意思的是,另一批美国科学家从水星的运动中,也发现了太阳的振荡

现象。1982 年,美国高空观测研究所等单位的研究人员,收集了从 18 世纪

以来的、长达 265 年的水星绕太阳运动的资料,以及好几十组日食发生时间

的数据。综合分析的结论是:太阳直径又胀又落,像是个一忽儿充满气,一

忽儿又放掉了点气的大皮球,这种被他们称为“太阳颤抖”的振荡现象的周

期,被定为 76 年,最大的变化率可以达到 0.8 角秒。

近些年来,有人从 44520 个太阳黑子数的分析中,得出其峰值有 12.07

天的周期。也有人从太阳自转速度随纬度高低而不同的所谓“较差自转”中,

导出 16.7 天的周期。此外,还有人认为存在着好几个 7~50 分钟的周期;160~

370 分钟周期范围内,也还存在着太阳整体振荡,等等。

日食记载也为此提供了新论据。一些科学家详细研究了 8 次日全食的资

料,其中最早的一次是 1715 年 5 月 3 日在英国可见的日全食,最晚的一次发

生在 1984 年 5 月 31 日。分析得出:269 年间,太阳直径有类似脉搏跳动那

样的振动现象,周期不详,但总的说来变化不算大,只有 1.24 角秒,大致是

太阳角直径的 1/1600。

研究和探测太阳内部结构是天文学家们长期的重要课题,也是很难顺利

展开的课题。已经建立起来的理论和假说,有的未能通过实践的检验,有的

显露出很大的缺陷,这类事情常有发生。正当科学家们一筹莫展、陷入重重

困难的时候,日震被发现了,他们怎能不喜上眉梢呢!

在不算长的几十年时期内,日震学已显示出其强大的生命力,太阳的内

部结构,各层次的温度、压力、密度、化学组成、自转和运动情况等等,无

不通过太阳振动的研究而获得了大量前所未知的信息。说实在的,这些信息

对于建立和完善已有理论,譬如黑子是怎么产生的、黑子周期的本质等,都

是必不可少的。科学家们相信,日震与地震的某些性质应该或可能有相似之

处,运用我们已掌握的对地震波的研究成果,再经过相当时间的观测和探索,

我们一定会越来越深入地认识我们的这个太阳,再扩大一步来说,乃至其他

恒星。

我们也不必讳言,到目前为止,太阳整体振荡为我们解决的问题只是初

步的,还远没有它提出的问题那么多。太阳整体振荡是怎么产生的?从各种

不同角度导出的种种周期与整体振荡是什么关系?各种周期之间又是什么关

系?这些都还是未知数。


如果把太阳振荡比作是一条走向探知太阳内部的康庄大道的话,那么,

我们才刚踏上征程,大量的开拓工作还在后头。

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