太阳黑子电磁辐射问题研究

太阳黑子电磁辐射问题研究

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引言

第一部分：太阳黑子的简介

第二部分：太阳黑子的电磁辐射

第三部分：太阳黑子电磁辐射对人类的影响参考文献

关键词：太阳黑子、电磁辐射、太阳黑子的电磁辐射、磁场强度、对人类的影响。

太阳黑子是太阳光球中局部的低温、强磁场区域，又是太阳活动区的核心角色。对于黑子的进一步了解会有助于我们全面认识太阳活动。处于活动剧烈期的太阳（称为“扰动太阳”)辐射出大量紫外线、x 射线、粒子流和强射电波，因而往往引起地球上极光、磁暴和电离层扰动等现象。其中，太阳黑子的形成与太阳磁场有密切的关系。在本文章中，我们将对太阳黑子的形成及其所产生的电磁辐射进行进一步的研究，以及太阳黑子产生的电磁辐射对地球及人类的影响。

第一部分：太阳黑子的简介

基本简介

在太阳的光球层上，有一些旋涡状的气流，像是一个浅盘，中间下凹，看起来是黑色的，这些旋涡状气流就是太阳黑子（sunspot）。黑子本身并不黑，之所以看得黑是因为比起光球来，它的温度要低一、二千度，在更加明亮的光球衬托下，它就成为看起来像是没有什么亮光的暗黑的黑子了。太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本，最明显的活动现象。一般认为，太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，温度大约为4500K（热力学温标单位，就温差而言，1K等于1℃）。因为比太阳的光球层表面温度要低（光球层表面温度约为6000摄氏度），所以看上去像一些深暗色的斑点。

活动周期

太阳黑子是太阳表面因温度相对较低而显得“黑”的局部区域。中国是世界上最先发现黑子的国家，早在中国古代，当时的中国人就已发现了黑子的存在。黑子一般成群出现在太阳表面，天文学家又将其称为“黑子群”。黑子的形成周期短，形成后几天到几个月就会消失，新的黑子又会产生。太阳黑子是太阳活动的重要标志，其活动存在着明显的周期性，周期平均为11.1年。黑子群对地球的磁场和电离层会造成干扰，并在地球的两极地区引发极光。黑子是由本影和半影构成的，本影就是特别黑的部分，半影不太黑，是由许多纤维状纹理组成的。当大黑子群数量增多时，就预示着太阳上将有剧烈的变化。人类发现太阳黑子活动已经有几千年了。黑子的活动周期为11.2年。届时会对地球的磁场和各类电子产品和电器产生损害。在开始的4年左右时间里，黑子不断产生，越来越多，活动加剧，在黑子数达到极大的那一年，称为太阳活动峰年。在随后的7年左右时间里，黑子活动逐渐减弱，黑子也越来越少，黑子数极小的那一年，称为太阳活动谷年。国际上规定，从1755年起算的黑子周期为第一周，然后顺序排列。1999年开始为第23周。

主要成因

关于这个问题天文学界一直众说纷纭。一种说法是黑子可能是太阳的核废料（如人类核反应堆的核废料），约11年出现一次可能是黑子在太阳里面和表面的上下翻动一次造成的（如元宵在锅里被煮得上下翻动），黑子温度较低应该也是废料的一个证明（如煤炉中的炭灰在一般情况下不能再产生高温）。另一种说法是：由于太阳的聚变作用，热核反应区周边的物质向内补充，在半径为0.75R处物质补充速度较其周围更快，由于角动量守恒，此处运动速度比周围快，产生摩擦。由于质子与电子所受摩擦不同，所以运动的相对速度不同，产生电流，进而产生管状磁场，管内气压+磁压=管外压强，所以管内气压<管外压强。根据克拉伯龙方程（pV=nRT）管内温度<管外温度。因为此结构密度小于周围物质，所以漂浮到对流层表面，形成黑子。

黑子特性

太阳黑子产生的带电离子，可以破坏地球高空的电离层，使大气发生异常，还会干扰地球磁场，从而使电讯中断。一个发展完全的黑子由较暗的核和周围较亮的部分构成，中间凹陷大约500千米。黑子经常成对或成群出现，其中由两个主要的黑子组成的居多。位于西面的叫做“前导黑子”，位于东面的叫做“后随黑子”。一个小黑子大约有1000千米，而一个大黑子则可达20万千米。太阳黑子的形成与太阳磁场有密切的关系。但是它到底是如何形成的，天文学家对这个问题还没有找到确切的答案。不过科学家推测，极有可能是强烈的

磁场改变了某片区域的物质结构，从而使太阳内部的光和热不能有效地到达表面，形成了这样的“低温区”。黑子越多可能说明太阳越老（近年发现红矮星上黑子占据表面的一半，详见中国<天文爱好者>2005年第三期），可能也是所有恒星寿命的一般特征，黑子附近的周边应该比太阳正常的地方温度高一些（此消彼长的原因），黑子向低纬度运动是因为太阳密度小和自转的原因，就像地球上的大陆版块向低纬度运动一样，有黑子的地方存在凹陷500千米可能是温度低而不再膨胀的原因。

黑子的形态

单个黑子的尺度，在初生时只有2000km左右，而发展到最大时其尺度可达几万km。单个黑子的寿命短者约几小时到一天，长者可达几十天或者更长，能在日面上存在几个太阳自转周（一周约27天）。

黑子出现的第一步，是在光球米粒组织中产生一个小黑点，尺度只有2’’~5’’（1’’=725km）。小黑点的亮度比光球米粒组织中的暗处还要暗一些，但是比大黑子的核心处要亮一些。小黑点的寿命比光球米粒的寿命长很多，常常是几个小时看不出很大的变化，甚至很小的黑点的寿命也有几个小时。

小黑点大约在出现半小时后，它的暗黑程度及尺度就和周围光球米粒有了较清楚的区别。遗憾的是，绝大部分小黑点不能发展成黑子。只有某些小黑点集团在一天左右形成为黑子。黑子出现后的第一天对它的成长是很重要的，因为这一天里黑子的磁通量的增长很快。与此同时，当小黑点的尺度增长到5’’以上，它本身就形成了黑子的核心部分，成为“黑子本影”。通过半影的出现，小黑点显示出强烈的向黑子发展的趋势。于是，有的太阳物理学家就把有无半影作为小黑点与小黑子的分界，出现半影作为小黑点过渡到或发展成黑子的标志。对于黑子细节的观测，告诉我们，黑子的半影实际上是黑子本影周围从里向外伸出的细的亮纤维与暗黑的背景形成的区域。半影中的暗黑区域被众多的半影亮纤维分隔，也呈纤维状，也常称为半影中的暗纤维。

黑子半影出现之前，先是黑子本影附近物质变暗，然后才有半影的亮纤维产生，反之，当黑子瓦解时，是黑子半影亮纤维先消失，而后整个半影区才渐渐转变成非扰动的光球区域。黑子半影的宽度约为1”比米粒还宽，寿命约几个小时。半影的长度与半影的大小和复杂程度有关系，典型的半影亮纤维长度是10”（7500km），都是由亮米粒或拉长的亮米粒组成的。

用“过度”曝光的方法，观测到无论大小黑子的本影全是由暗的本影米粒组成的，本影米粒的暗黑程度不等。在本影与半影的交界处常可观测到组成半影亮纤维的亮米粒在本影的黑背景衬托下显得较亮。在黑子的本影中，特别是大黑子的本影中，经常有被亮桥“切断”的现象。高分辨力的观测表明，这种亮桥本事是由类似于半影亮条中的亮米粒一样的小亮元组成。实际上本影米粒的大小、形状、亮度都很弥散，它的尺寸大约为2.3”~2.9”。本影米粒的寿命大约是从十几分钟到2.5小时，比光球米粒的寿命（10min）要长很多。

一方面，黑子本影的亮度等强度线呈现出很不规则的形状，反映出黑子中磁通量向上流是很不均匀分布的。另一方面，黑子本影米粒有类似光球米粒之外，有向上的运动，说明它们是对流流动的表现，即使黑子本影磁场很强也未能完全约束黑子中的对流运动。

第二部分：太阳黑子的电磁辐射

电磁辐射

能量以电磁波的形式通过空间传播的现象。它的传播速度即人们通常所说的光速。电磁辐射可按其波长，频率排列形成若干频率段，形成电磁波谱。频率越高该辐射的量子能量越大，其生物学作用也越强。太阳黑子的电磁辐射属于天然电磁辐射。

黑子中的物质流动、物态和磁场

我们知道，如果一个发出振动信号的源沿着我们的视线做运动，那么我们接收到的它的振动信号的频率就会与它发射的频率不同，这种现象称为多普勒效应。1909年英国人埃弗施德在印度的Kodaikanal天文台，利用黑子光谱线的多普勒效应发现了黑子半影中的物质流动，称为“埃弗施德效应”。他把望远镜对准日面边缘的太阳黑子，用光谱仪观测黑子的光谱线的唯一所表示的谱线波长的变化，发现对于靠近日面边缘的黑子而言，它的接近日面中心方向的一侧的半影的暗区（暗纤维）中，光谱线的波长变短了；而在黑子的接近日面边缘的一侧的半影暗区中，光谱线的波长变长了。这种现象说明，有物质在黑子中从黑子的本影与半影的交界处向半影与光球交界处流动，即从黑子向外流动，这种流动是平行于日面方向的，在太阳方向上就是水平方向的流动。流动从黑子的本影和半影的交界处开始，流动在半月内各种达到最大速度—每秒约2km。进一步利用来自不同深度的不同光谱线做类似的观测，结果得知，Evershed流动在深层流速最大，越往上流速越小，直到光球表面是流速为零。在往上到了色球层，流动的方向反转，有半影与光球的交界处向黑子本影区流动。一般认为，这种流动是物质在磁流管中受到磁流管两端的压力差的作用而做的沿着磁流管的运动。

太阳活动现象中，太阳黑子具有最强的磁场。磁场的浮现、发展与变化控制着黑子的发生于演化。同时，黑子的变化又控制着它周围的地区——活动区中活动的发生、发展与衰亡。

黑子磁场的测量时借助于“塞曼效应”进行的。塞曼效应是指处于磁场中的光源发射光的谱线发生分裂。反之，测量磁场中光源所发射谱线的分裂量，就可以推算出光源所处的磁场强度。黑子本影处的磁场强度与黑子面积有关，面积越大磁场越强。大黑子本影处的磁场可强达约4000Gs，向外逐渐减弱，到半影与光球交界处降至1000~1500Gs。据统计，只有约20%的黑子磁场强度大于2000Gs，约有5%的黑子磁场强度超过3000Gs。

假若黑子的面积为S（以太阳半球面积的10-6为单位），那么黑子的最大磁场强度Bm （以高斯为单位）可由下式算出：

这个经验公式适用于大多数黑子，它们的最大磁场强度小于3700Gs。

对于黑子磁场由中心向外减弱的情况，也有许多经验公式定量的给以近似表示。下式是经验公式之一：

式中为距黑子中心的距离（以黑子半径为单位），B（）是处的磁场强度，B（o）是黑子中心的磁场强度。=1表示离黑子中心的距离正好等于黑子半径，那里正是黑子的半影与光球交界地，该处的磁场强度依上式算出为

由于日面上黑子常成群出现，群中磁极性也常混杂在一起，因而黑子磁力线的走向必定是复杂的。对于一个单极性的简单的黑子，它的磁场分布较简单，磁力线走向在理想情况下应该是规整的喇叭口形。黑子中轴线处磁力线垂直向上，到光球表面之后即向周围散开。从

侧面看，黑子磁力线具有扇形的分布。下列经验公式常被用来表示黑子的磁力线分布形状：

上式中为磁力线与黑子轴线的交角，是距黑子轴线的距离（以黑子半径为单位）。由上式可知，当=0时，即在黑子轴线上，磁力线顺着轴线。而当时，即在黑子边缘处，磁力线与轴线的夹角趋向67.5°。这一公式对于离黑子轴线更远处是不适用的。

黑子一生中，磁场强度在初生期增加很快，接着是较长的保持磁场强度基本不变的时期，最后是磁场渐渐的消失期。

第三部分：太阳黑子电磁辐射对人类的影响

太阳黑子时对地球的影响是非常大的，它与我们的生活有着密切的联系，2000年太阳活动的极大年，因为其主要的活动强弱呈11年的周期性变化，所以2000年又称作第23周期太阳活动年；太阳活动呈周期性变化是由施瓦贝首次发现的，R·沃欠夫迚行推算从而得出了11年的周期时性；其实，太阳黑子不反呈11年周期的变化，还有22年的周期，这是海耳在研究黑子群磁场极性分布时发现的，因此也能为“磁周”或“海耳定律”，还有格莱斯堡等人发现的80年周期。太阳黑子的蒙德极小期等等。地球上的气候状冴、植物生长、水文现象以及地震活动乃至全球性的流感发生等，都具有11年的周期变化。最新研究表明，人类的发明创造也与太阳黑子的周期活动有关。俄罗斯科学家伊德里斯教授通过对理论物理的发展迚行深入研究后证明，科学创见确有一定的觃律。以爱因斯坦为例，他在物理学上的4次重大突破，时间分别是1905年、1916年、1927年、1938年，其周期恰为11年，而且这4年又都是太阳黑子的高峰年。不仅如此，艺术才能也受太阳黑子活动的影响。18世纪至19世纪的50名作曲家的创作高峰几乎都同太阳黑子活动高峰一致，他们都是在太阳黑子活动的高峰年代写出了自己的传世之作。

虽然太阳黑子也许能够刺激到某些人的创作灵感，可是不能否认的是，太阳黑子对我们的日常的人类生活有着很大的影响，并且大多是负面而非正面的。

美国“国家海洋大气管理局（NOAA）”的官员警告说，太阳活动即将迚入11年一个循环周期中的“极大年”。美国政府官员预计，全美的通讯系统和能源设施可能遭到持续数月的太阳风暴的袭击。按大气和海洋科学家的话说，太阳活动的“极大年”会引发太空风暴、强辐射流和极光等，对现有的GPS全球定位系统、互联网通讯设施和其它基础设施构成冲击。例如1989年爆发的地磁风暴就曾经使魁北克省的电力供应超载，使得政府不得不采取灯火管制。

城市中的交通事故或许与太阳黑子爆发存在某种关系。专家从一组统计数据中发现，在太阳黑子活跃的时段，交通事故也相应有所增加。中科院紫金山天文台与武汉大学医学院专家，联合对此课题作了研究。他们对1955年至2000年武汉市交通事故的发生情冴与同期出现的5个太阳黑子活动周期作了比较分析。研究发现，每逢太阳黑子相对数上升阶段，武汉市交通事故的发生次数就出现猛增趋势，伤亡人数也显著增多。早在1993年，他们曾预测：迚入第23个太阳活动周期初期，即1997年前后，武汉市交通事故将再次出现猛增趋势。交通部门的统计资料显示，该年武汉市交通事故次数和伤、亡人数分别比1996年增加了11.84％、22.09％和7.8％。为什么会有如此巧合呢？专家分析，在太阳活动高峰期，太阳高能粒子流和电磁辐射使地球磁场发生剧烈变化，引起大气环流和人体磁场出现异常，由此导致人体神经系统反应能力下降，驾驶行为出错率上升，交通事故因此明显增多。专家认为，有些心血管病人对太阳黑子剧烈活动引起的电离层磁扰动比较敏感，太阳风暴可能使他们的病情加重。此外，在特大的太阳风暴袭击时，如果坐高空飞机，有可能会受到X射线的过度照射，有人计算，这相当于一个人在一小时做100次X光透视。

现在对太阳黑子的研究，正处于观察结果，随着研究的发展，人们将一定能够迚一步的

了解并解决太阳黑子对人类的研究，并且基于这一点而更好的了解整个宇宙，人类在从整个宇宙系统上来看是极其脆弱的，一次宇宙中司空见惯的小小爆炸就有可能导致整个人类的灭亡，也正因为此，人类对宇宙的探索和研究是至关重要的，我们只有在不断的探索中让自己坚强起来，有能力也去保护我们的地球！

参考文献：

《太阳风暴》张元东王家龙

《太阳黑子对人类活动的影响和分布的研究》陈超刘明良刘俊彦朱歆琴