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太陽黑子是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動,是太陽活動中最基本、最明顯的活動現象。研究表明,太陽黑子的活動至少已經持續了數億年。一般認為,太陽黑子實際上是太陽表面一種熾熱氣體的巨大漩渦,溫度大約為4500攝氏度。因為比太陽的光球層表面溫度要低1000到2000攝氏度,所以看上去像一些深暗色的斑點。太陽黑子的活動往往會對地球的氣候、通信、生物產生不同程度的影響。

1 太陽黑子 -概述

太陽黑子太陽黑子

太陽黑子是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動,是太陽活動中最基本,最明顯的活動現象。一般認為,太陽黑子實際上是太陽表面一種熾熱氣體的巨大漩渦,溫度大約為4500攝氏度。因為比太陽的光球層表面溫度要低1000到2000攝氏度,所以看上去像一些深暗色的斑點。

太陽黑子很少單獨活動,常是成群出現。黑子的活動周期為11.2年,活躍時會對地球的磁場產生影響,主要是使地球南北極和赤道的大氣環流作經向流動,從而造成惡劣天氣,使氣候轉冷。嚴重時會對各類電子產品和電器造成損害。

太陽黑子的形成與太陽磁場有密切的關係。但它的確切成因,天文學家還沒有找到準確答案。

2 太陽黑子 -黑子活動

一個發展完全的黑子由較暗的核(本影)和周圍較亮的部分(半影)構成,中間凹陷大約500千米。黑子經常成對或成群出現,其中由兩個主要的黑子組成的居多。位於西面的叫做「前導黑子」,位於東面的叫做「后隨黑子」。一個小黑子大約有1000千米,而一個大黑子則可達20萬千米。 黑子一般成群出現在太陽表面,天文學家又將其稱為「黑子群」。黑子的形成周期短,形成後幾天到幾個月就會消失,新的黑子又會產生。當大黑子群數量增多時,就預示著太陽上將有劇烈的變化。

3 太陽黑子 -歷史記載 

史前行跡
太陽黑子太陽黑子與地球大小對比

地層學的研究資料顯示,太陽黑子的活動至少已經持續了數億年;測量前寒武紀年融冰層沉積的岩石,在厚度上不斷重複的峰值,大約有著11年的間隔。人們認為早期的地球大氣層對太陽輻射變化更為敏感,並且在太陽黑子較活躍的年份會發生較多的冰川融化(和較粗的泥沙沉澱)。

科學家通過分析樹木的年輪,亦可以取得明確與詳細的太陽周期紀錄:樹輪年代學的資料、放射性碳的濃度可以追溯到11,400年前的太陽黑子活動,遠遠超出人類直接觀測太陽四百年的太陽黑子活動紀錄資料。

早期記載

中國的記載

中國公元前140年前後成書的《淮南子》中,對太陽黑子的記載是世界上最早的太陽黑子記錄。

之後《漢書·五行志》中對的河平元年(即公元前28年)3月出現的太陽黑子有更為詳細的記載:「河平元年……三月已未,日出黃,有黑氣大如錢,居日中央。」這條紀事把黑子出現的時間、位置和大小都描寫得很清楚。

《後漢書·五行志》和《宋史·天文志》對公元188年和公元1131年出現的黑子,也有明確記述:「中平……五年正月,日色赤黃,中有黑氣如飛鵲,數月乃消。」 「二月已卯,日中有黑子,如李大,三日乃伏。」

西方的記載

太陽黑子太陽表面出現的太陽黑子「泡沫」活躍區

西元807年3月17日,西方文化第一次明確記錄太陽黑子,是本尼迪克特的僧侶Adelmus。他觀察到一顆肉眼可見大黑子出現了8天;但是Adelmus錯誤的認為它觀測到的是水星凌日的現象。

西元813年,太陽出現了大黑子。伍斯特的約翰描述了1129年的黑子活動,同時Averroes也提供了12世紀對太陽黑子的描述;但是,這些觀測都被誤解為是金星凌日。

1612年,伽利略給出了太陽黑子的正確解釋。

17、18世紀

1610年後期,英國天文學家托馬斯·哈里奧特和法里孫群島的天文學家Johannes和David Fabricius首先使用望遠鏡觀察太陽黑子,並在1611年6月提出報告。

稍後,伽利略為在羅馬的天文學家介紹黑子。

19世紀

1826年至1843年間,太陽黑子數量的周期變化是海因利希·史瓦貝觀測到的,並且沃夫從1848年開始系統的進行觀測。

1844年,海因利希·史瓦貝在"Astronomische Nachrichten"(天文學的新聞)報告了太陽黑子數量的周期性變化。

1859年9月1日,太陽朝向地球輻射了一個威力強大的日珥,造成了所謂的卡靈頓事件。它中斷了電報服務,和使得在南方的哈瓦那、夏威夷和羅馬都能看見極光,在南半球也引發了相同的現象。

21世紀
太陽黑子太陽表面的太陽黑子「泡沫」活躍區

2003年11月4日19:27,人造衛星觀測到最強大的太陽閃焰,測量的儀器值有長達11分鐘的過飽和(破表)。據估計在R486這個區域產生的X光通量達到X28的等級。全息和目視的都顯示即使轉到了太陽背面,仍有明顯的活動現象。

從2007年至2009年,太陽黑子的數量遠低於平均值。

在2008年,有73%的日子沒有太陽黑子,即使對極小期而言也是很極端的。只有1913年能與之比擬,當年有85%的日子沒有黑子。

2009年12月,出現了一個較大的黑子群。但太陽黑子的水平仍然低於正常的數值。

2011年,印度加爾各答科學教育研究所人員南迪(Dibyendu Nandi)提出了一個電腦模式,來說明太陽黑子消失的原因。這個模式研究了2008─2009年的現象,並考慮到太陽內部、太陽的磁力「發電機」、傳遞帶以及太陽黑子重新充電並恢復浮力的方法等因素。

2012年3月,美國天文攝影師埃倫-弗里德曼拍攝到太陽表面出現「泡沫」活躍區,這其實是一個太陽黑子群的「謝幕演出」。這群太陽黑子在爆發出壯觀的X級太陽耀斑后,逐漸從太陽面向地球的這一側表面消失。

4 太陽黑子 -成因

太陽黑子的成因天文學界一直眾說紛紜。

說法之一

黑子可能是太陽的核廢料(如人類核反應堆的核廢料),約11年出現一次可能是黑子在太陽裡面和表面的上下翻動一次造成的(如元宵在鍋里被煮得上下翻動),黑子溫度較低應該也是廢料的一個證明(如煤爐中的炭灰在一般情況下不能再產生高溫)。

說法之二

由於太陽的聚變作用,熱核反應區周邊的物質向內補充,在半徑為0.75R處物質補充速度較其周圍更快,由於角動量守恆,此處運動速度比周圍快,產生摩擦。由於質子與電子所受摩擦不同,所以運動的相對速度不同,產生電流,進而產生管狀磁場,管內氣壓+磁壓=管外壓強,所以管內氣壓<管外壓強。根據克拉伯龍方程(pV=nRT)管內溫度<管外溫度。因為此結構密度小於周圍物質,所以漂浮到對流層表面,形成黑子。 

5 太陽黑子 -特性

物理屬性
太陽黑子太陽黑子爆炸

通過應用塞曼效應的觀察,典型成對出現太陽黑子是不同的磁極性。前後黑子的極性會在每個太陽周期對掉一次。黑子出現的位置按從史波勒定律,在太陽周期開結時,黑子在太陽的南北中低緯度地區(30-45度)慢慢接近太陽赤道地區。每一周期完結后,太陽黑子會重新在南北中低緯度地區出現。 

太陽黑子分為兩部分: 
本影:中心最黑的部分,位於磁場線大約垂直太陽平面處,溫度約4000k。 
半影:中心外團灰黑色的部分,是由許多纖維狀紋理組成的,具有旋渦狀結構。磁場線較斜,溫度約5000k。  

周期性

天文學家對黑子活動從1755年開始標號統計,規定太陽黑子的平均活動周期為11.2年,1999年為第23個周期。黑子最少的年份為一個周期的開始年,稱作「太陽活動寧靜年」,黑子最多的年份則稱做「活動峰年」。

6 太陽黑子 -影響

對通信的影響
太陽黑子太陽X級耀斑

太陽是地球上光和熱的源泉,它的一舉一動,都會對地球產生各種各樣的影響。黑子既然是太陽上物質的一種激烈的活動現象,所以對地球的影響很明顯。

當太陽上有大群黑子出現的時候,地球上的指南針會亂抖動,不能正確地指示方向;平時很善於識別方向的信鴿會迷路;無線電通訊也會受到嚴重阻礙,甚至會突然中斷一段時間,這些反常現象將會對飛機、輪船和人造衛星的安全航行、還有電視傳真等等方面造成很大的威脅。

對環境、氣候的影響

農業:

1900年前後,一位瑞士的天文學家發現,黑子多的時候地球上氣候乾燥,農業豐收;黑子少的時候氣候潮濕,暴雨成災。中國科學家竺可楨也研究認為,凡是中國古代書上對黑子記載得多的世紀,也是中國範圍內特別寒冷的冬天出現得多的世紀。他還有人統計了一些地區降雨量的變化情況,發現這種變化也是每過11年重複一遍,很可能也跟黑子數目的增減有關係。

地震學:

科學工作者發現,太陽黑子數目增多的時候,地球上的地震也多。地震次數的多少,也有大約11年左右的周期性。

植物學:

植物學家也發現,樹木的生長情況也隨太陽活動的11年周期而變化。黑子多的年份樹木生長得快;黑子少的年份就生長得慢。

對人類的影響

太陽黑子的數量有時多,有時少,其變化很有規律,一般每11年為一個周期。據記載,在1173~1976年的803年間,流行行大感冒發生過56次,且都出現在太陽黑子活動極大的年份。太陽黑子活動高峰時,心肌梗死的病人數量也激劇增加。

這是因為太陽會發射出大量的高能粒子流與X射線,並引起地球磁暴現象。它們破壞地球上空的大氣層,使氣候出現異常,致使地球上的微生物大量繁殖,為疾病流行創造了條件。

科學家還發現,在太陽黑子活動極大的年份里,致病細菌的毒性會加劇,它們進入人體后能直接影響人體的生理、生化過程,也影響病程。人體血液中白血球數目的變化也有11年的周期性。

7 太陽黑子 -應用

 由於和其他類型太陽活動間的關連性,太陽黑子可以預測太空氣象和電離層的狀態。因此,太陽黑子有助於預測短波電波傳播或衛星通訊。 

8 太陽黑子 -觀測

專業觀測

太陽黑子可以被地基天文台地球軌道的太陽望遠鏡觀測。這些望遠鏡除了使用各種不同的濾鏡和相機,也使用投影技術直接觀察影像。特殊的工具,像是分光鏡和太陽單色光觀測鏡,用來檢查太陽黑子和太陽黑子的地區。人工日食可以觀測太陽圓周的邊緣,並且觀察黑子從邊緣轉出。

業餘觀測

由於直接用眼睛觀看太陽會使視力永久受損,業餘觀測太陽黑子通常使用投影法產生影像進行間接的觀察,或是使用保護的濾色片。在沒有濾鏡的情況下,可以直接將望遠鏡的目鏡產生的影像投影到白色的屏幕上,就可以直接看見,甚至可以追蹤,並追隨太陽黑子的發展。特殊用途的Hα窄頻濾鏡,以及鋁鍍膜的玻璃衰減濾鏡(由於極高的光學密度使它們的外觀看起來猶如鏡子),可以在望遠鏡的前端提供保護,以通過目鏡安全觀測。

9 太陽黑子 -最新研究

日本名古屋大學的一個天文學研究團隊在2012年10月21日發表報告說,該研究小組在分析過去40年來太陽北半球、南半球黑子數量變化和磁極顛倒的觀測數據后發現,在此前的數個周期中,太陽北半球會首先發生磁極顛倒,1至2年後其南半球也會出現類似現象。其北極磁場變化的時期與北半球黑子數量達到頂峰基本一致,太陽南極的情況也一樣。

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