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今天，美國國家航空航天局(NASA)要發射太陽探測器帕克了！帕克將實現目前人類歷史上最近距離的“探日”，探索太陽風形成過程及對太空天氣的影響，嘗試解開日冕的極端高溫之謎，了解太陽高能粒子加速行進的機制等問題。 踏上征途之后的帕克預計2025年會實現“觸摸太陽”的夢想，屆時帕克離太陽表面僅約600萬千米！要解決懸而未決的重大問題還需要時間，在這之前大院er有必要讓大家了解太陽的一些基礎知識。 太陽的結構 太陽由里往外是由核心區、輻射區、對流區、光球層、色球層、日冕層構成。光球層之下稱為太陽內部，光球層之上稱為太陽大氣。 太陽的結構 目前關注的太陽活動均發生于外部太陽大氣，幾乎所有的可見光都是從太陽大氣中的光球層發射出來的，因此對太陽的觀測大部分是對太陽光球層的觀測。這里簡要說明一個概念：光球層的表面由于溫度高低不同形成了明暗斑點，較暗的斑點被稱為太陽黑子，較明亮的斑點被稱為光斑。太陽黑子數一般可用來反映太陽活動的強弱，太陽黑子數的記錄也是目前有關太陽觀測中時間最長的記錄。 PS：帕克最終到達的日冕層屬于太陽大氣層，所謂的“日冕之謎”是指日冕層的溫度遠遠高于太陽表面的溫度，期待帕克會給出謎底。 等離子體和較差自轉 我們所處的地球上，物質大部分都是固體、液體和氣體三態中的一種，然而宇宙中99%的物質都屬于物質的第四態：等離子體。等離子體（Plasma）是一種同時含有正負離子的物質形態，通常表現為離子化氣體狀物質，太陽就是以等離子體的狀態存在的典型代表。 正是太陽的這種物質存在形式導致了太陽的較差自轉現象，也就是說太陽在自轉時日面不同緯度有不同的自轉周期，在太陽赤道的自轉最快，而隨著日面緯度升高自轉逐漸變慢，下圖可以形象的說明太陽的較差自轉。  太陽的較差自轉現象 上面的公式表達了太陽自轉角速度和日面緯度的關系。A、B、C為常數。不同的測量結果會影響A、B、C三個常數的值。當前被接受的值是： 這里說一說19世紀英國的理查德·克里斯托弗·卡林頓（Richard Christopher Carrington），他家里很富有，又愛好天文，就在倫敦附近自己造了一座天文觀測室，然后在白天開始日復一日對太陽的觀測，晚上則尋找星星。卡林頓通過每日對太陽的持續觀測，細心記錄下太陽黑子（群）在日面上大小、多少、位置和形態等的變化，由此發現了太陽較差自轉現象，這一發現否定了當時有人提出的太陽是個固體球的理論。 觀測太陽活動需要“千里眼” 太陽到地球的直線距離的平均值為149597870.7千米，如此遙遠的距離，很難用我們人類的肉眼觀測到太陽的實質性變化，更何況太陽紫外線和紅外線一定時間的照射會灼傷眼睛。所以直到17世紀發明了望遠鏡，人類對太陽的觀測才逐漸有了飛躍性進展。 太陽與地球的距離 目前專門的太陽觀測儀器，包括光學、射電和空間的專用設備。1609年伽利略首次用望遠鏡觀測太陽黑子被認為是最早使用光學儀器觀測太陽。之后前輩們一直致力于在可見光波段對太陽進行觀測，到了二十世紀，技術發展促使各種用于觀測太陽光球層、色球層、日冕層等的光學儀器不斷涌現。近代射電天文和空間天文技術迅速發展，實現了從γ射線直到米波的太陽觀測，但歷史悠久的光學觀測仍然占據重要地位。 PS：帕克嚴格意義上不屬于太陽觀測儀器，因為它要進行的探測任務比觀測更困難。帕克需要飛離地球，借助金星引力7次變軌后進入太陽日冕層。 太陽活動周期 猜猜下圖是什么？是一串紅寶石項鏈嗎？不對，下圖是1996年～2006年的每年給太陽選擇一張代表性照片的匯總，這張圖可大致反映出第23個太陽活動周期的發展過程。1843年，德國天文學家塞繆爾·海因里希·施瓦布（Samuel Heinrich Schwabe）發現了太陽活動周期，提出太陽年平均黑子數存在周期性變化，變化的周期約十年。  第23太陽活動周的發展過程 瑞士天文學家約翰·魯道夫·沃夫（Johann Rudolf Wolf）在施瓦布提出的太陽黑子周期啟發下，不只自己觀測太陽，還收集從1610年起所有可用的太陽黑子活動資料，經過幾年的仔細觀測和精心的資料整理，發現太陽黑子數變化周期平均為11.1年，觀測到的最短黑子周期為9年，最長黑子周期為14年。沃夫提出將太陽黑子數從一個極小到另一個極小之間定為一個周期，并將1755年～1766年的周期定為第1個太陽活動周，目前正處于第24個太陽活動周。  歷年來太陽黑子數年均值變化曲線 斯波勒定律 1861年卡林頓發現了太陽黑子隨太陽活動周發展向赤道遷移的規律，因此太陽活動周又被稱為卡林頓太陽活動周。隨后得到德國天文學家古斯塔夫·斯波勒（Gustav Spoerer）的確認，這一規律被稱為斯波勒定律。 斯波勒定律描述：在太陽活動周開始時，黑子群出現的位置分別在太陽南北緯度30o～45o；在太陽活動極大年，黑子群一般出現在緯度15o附近；在太陽活動周要結束時，黑子群一般出現在緯度8o附近，同時新周期的黑子群已開始在高緯度出現，新周期和舊周期黑子群同時出現的局面大約可持續一年左右的時間。后來英格蘭天文學家愛德華·沃爾特·蒙德（Edward Walter Maunder）用蝴蝶圖形象展示了斯波勒定律。  太陽黑子蒙德蝴蝶圖 太陽活動的海爾周期 美國天文學家喬治·埃勒里·海爾（George Ellery Hale）被稱為“太陽物理學之父”，他利用研制的太陽單色光照相儀首次測得了太陽黑子的磁場。長期的觀測發現隨著太陽自東向西自轉黑子一般會成對出現，習慣上將西邊的稱為前導黑子，東邊的稱為后隨黑子，前導黑子和后隨黑子的極性總是相反的，所以又稱為雙極黑子。 在同一個11年太陽活動周期內，日面同一半球所有雙極黑子的磁場極性相同，而南北不同半球上的雙極黑子的磁場極性相反（即：前導黑子的極性相反，后隨黑子的極性也相反）；當下一個11年太陽活動周期開始，太陽南北兩個半球的雙極黑子的磁場極性發生對換。考慮到黑子磁場變換規律，海爾于1919年提出太陽活動的磁周期應該是22年，這就是所謂的太陽活動的海爾周期。 海爾周期雙極黑子極性轉換前(a)后(b) 太陽活動對我們的影響 太陽活動無疑會對地球產生重要的影響。太陽活動有時比較平靜，有時比較劇烈；太陽有自轉，太陽上的活動區有時對向地球，有時又背向地球；地球本身有自轉又有公轉，因此太陽活動對地球的影響非常復雜，周期也有多種，如日周期、27天周期、年周期、11年周期等。太陽在相對平靜期時地球感受到的是光明和溫暖，換言之萬物生長靠太陽，然而太陽活動劇烈時也會肆虐成災，以下主要介紹一下其對電離層、磁場的影響。 對電離層的影響 太陽活動對電離層的影響主要有電離層突然騷擾、電離層暴、極蓋吸收、極光帶吸收等，這一系列的連鎖反應會嚴重影響無線電信號的傳播。地球高層大氣受到太陽XUV（X射線和極紫外EUV）輻射形成了電離層，太陽活動性變化會直接影響電離層的變化，而電離層的變化又會影響無線電信號的傳播。特別是太陽大耀斑爆發時，太陽對地球電離層的輻射能量會瞬間井噴，只需要8分多鐘就將使地球局部電離層的電子濃度和電離層各層（電離層可從低到高依次分為D層、E層和F層等）的高度厚度急劇突變，緊接著太陽耀斑產生的高能帶電粒子也會逐漸到達，在地球磁場的作用下，會使高緯度地區和極區電離層產生異常，在太陽耀斑爆發后20~40小時地磁場被強烈擾動會發生磁暴現象。  太陽耀斑爆發后對地球的影響 對磁場的影響 整個地球是一個大磁場。地球的北極是地磁場的磁南極，地球的南極是地磁場的磁北極。地極和磁極之間有大約11度的夾角，因此地球的周圍充滿了磁力線，不同的位置有不同的地磁強度。平時地磁受多方面的影響，會有不同程度的擾動，而影響最大的就是磁暴現象。 磁暴發生時磁針劇烈顫動，不能正確指示方向，磁場強度可以變化很大。將對人類活動，海上航行之船、空中飛行之機、甚至信鴿的飛翔等產生影響，特別是會影響與地磁有關的工作。同時在高緯度地區常常伴有極光出現，極光區一般位于地磁極25o~30o離地面100~300千米的上空。極光是帶電粒子流高速沖進那里的高空大氣層，被地球磁場捕獲，同稀薄大氣相碰撞而產生的大氣發光現象，顏色多變形狀多樣。
太陽還有很多未知等著我們發現，人類探索太空的腳步也不會停息，相信隨著科技的進步，在“帕克”們的協助下，人類終有一天會揭開太陽的神秘面紗。 |
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