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1、磁层和太阳风2014a分析太阳及其辐射太阳及其辐射 太阳结构太阳结构太太阳阳质质量量为为1.99*101.99*103030千千克克，半半径径7*107*105 5公公里里，约约为为地地球球半半径径的的109109倍倍，日日地地距距离离成成为为一一个个天天文文单位，用单位，用AUAU表示，表示，1AU=1.5*101AU=1.5*108 8公里公里太太阳阳的的主主要要成成分分为为氢氢离离子子，结结构构可可以以分分为为核核、辐射区、对流层、光球、色球和日冕辐射区、对流层、光球、色球和日冕五层五层太阳结构图太阳结构图日核：日核：0.25Rs辐射层：辐射层：0.25-0.86Rs对流层：厚对流层：厚
2、10万公里万公里光球：厚光球：厚500公里公里色球：厚色球：厚2000公里公里日冕：最远可达日冕：最远可达4-5Rs 太阳结构太阳结构日核日核u 日日核核即即太太阳阳的的核核心心部部分分，亦亦称称核核反反应应区区。其其中中心心温温度度在在15001500万万K K以以上上，中中心心压压力力达达33003300亿亿大大气气压压。日日核核约约占占太太阳阳半半径径的的15%-26%15%-26%，集集中中了了太太阳阳质质量量的的一一半半，并并且且可可以以产产生太阳发射能量的大约生太阳发射能量的大约99%99%。u 由由于于高高温温，其其物物质质处处于于气气态态，日日核核释释放放的的能能量量是是由由四
3、四个个氢氢原原子子核核聚聚变变为为氦氦产产生生，每每秒秒钟钟，质质量量为为6 6亿亿吨吨的的氢氢经经过过热热核核聚聚变变反反应应转转变变为为5.965.96亿亿吨吨的的氦氦，并并释释放放出出相相当当于于400400万万吨吨氢氢的的能能量量。目目前前对对太太阳阳内内部部氢氢含含量量的的估估计计，太太阳阳至少还能向地球提供至少还能向地球提供5050亿年的光和热。亿年的光和热。太阳结构太阳结构辐射区辐射区u 日日核核外外面面一一层层称称为为辐辐射射区区。比比起起日日核核来来，这这里里的的温温度度、密密度度已已急急剧剧下下降降。从从核核反反应应区区发发出出的的能能量量开开始始是是以以高高能能射射线线的
4、的形形式式发发出出，继继而而是是X X射射线线，再再往往外外，光光子子的的能能量量更更为为减减小小，变变为为极极紫外线和紫外线。紫外线和紫外线。u 在在辐辐射射区区，通通过过对对来来自自日日核核的的能能量量极极高高的的光光子子吸吸收收、再再发发射射而而实实现现能能量量传传递递。这这里里的的物物质质每每吸吸收收并并再再辐辐射射一一次次，便便使使高高能能光光子子的的频频率率降降低低（波波长长变变长长）一一些些，经经过过无无数数次次的的这这种种再再吸吸收收、再再辐辐射射的的漫漫长长过过程程，使使高高能能光光子子逐逐渐渐变变为为可可见见光光和和其其他他形形式式的的辐辐射射。若若没没有有辐辐射射区区物物
5、质质的的作作用用，太太阳阳将将是是一一个个仅仅发发射射高高能能射射线的不可见天体。线的不可见天体。太阳结构太阳结构对流层对流层u辐辐射射区区的的外外侧侧，太太阳阳大大气气呈呈对对流流的的不不稳稳定定状状态态，称称为为对对流流层。其厚度约有层。其厚度约有1414万公里，也有人认为仅有几万公里厚。万公里，也有人认为仅有几万公里厚。u由由于于这这里里温温度度、压压力力和和密密度度梯梯度度均均很很大大，使使物物质质的的径径向向对对流流运运动动强强烈烈。又又由由于于对对流流运运动动的的非非均均匀匀性性，可可产产生生低低频频声声波波-噪声，它可将机械能通过光球传输到太阳的外层大气。噪声，它可将机械能通过光
6、球传输到太阳的外层大气。u至至今今对对日日核核、辐辐射射区区和和对对流流层层的的研研究究尚尚处处于于理理论论探探索索阶阶段段，因为上述的太阳内部结构无法直接观测到。因为上述的太阳内部结构无法直接观测到。太阳结构太阳结构-光球层（可见表面）光球层（可见表面）太阳是一个气态的恒星，它的可见表面是太阳是一个气态的恒星，它的可见表面是光球层光球层，其半径，其半径约约7107105 5kmkm，近似为一个，近似为一个6000K6000K的黑体。几乎全部可见光是的黑体。几乎全部可见光是从光球层发出来的，因而太阳的光谱实际上就是光球的光从光球层发出来的，因而太阳的光谱实际上就是光球的光谱。光球上最显著的现象
7、是谱。光球上最显著的现象是太阳黑子太阳黑子，黑子并非绝对的黑，黑子并非绝对的黑，原因在于它比周围区域的温度低大约原因在于它比周围区域的温度低大约1500K1500K。黑子实质上是。黑子实质上是具有强磁场的低于光球温度的旋涡。具有强磁场的低于光球温度的旋涡。太阳结构太阳结构-色球层（内大气层）色球层（内大气层）光球层以上是透明的色球层和日光球层以上是透明的色球层和日冕。冕。色球层色球层很薄，在光球层之上很薄，在光球层之上延伸大约延伸大约2000km2000km，温度高达，温度高达4500-4500-1010万万K K。它发出的可见光总量不及。它发出的可见光总量不及光球的光球的1%1%，因此人们平
8、常看不到，因此人们平常看不到色球。发生日全食时，当光球所色球。发生日全食时，当光球所发射的强烈光线被月球完全遮掩发射的强烈光线被月球完全遮掩的短时间内，或者平时用单色光的短时间内，或者平时用单色光观测，可看见它是一个非常美丽观测，可看见它是一个非常美丽的的玫瑰红色玫瑰红色的气层，因而得名的气层，因而得名“色球色球”。太阳结构太阳结构-日冕（外大气层）日冕（外大气层）日冕日冕在色球层之上，温度高在色球层之上，温度高达达上百万上百万K K，日冕向外延伸，日冕向外延伸，没有明确的中断。在日全食没有明确的中断。在日全食时，人们可观察到暗黑的天时，人们可观察到暗黑的天空背景上，月掩日轮周围呈空背景上，月
9、掩日轮周围呈现青白色的光区，这就是现青白色的光区，这就是太太阳的最外层大气阳的最外层大气-日冕。它由日冕。它由高温、低密度的等离子体所高温、低密度的等离子体所组成。日冕的延伸范围约为组成。日冕的延伸范围约为太阳直径的几倍到十几倍。太阳直径的几倍到十几倍。其亮度仅相当于满月的亮度，其亮度仅相当于满月的亮度，其形状是变化的。其形状是变化的。太阳活动太阳活动-太阳耀斑太阳耀斑u太阳活动指太阳外层大气中局部区域在有限时间内所发生的太阳活动指太阳外层大气中局部区域在有限时间内所发生的现象，包括太阳黑子、耀斑、日冕物质抛射及日饵等现象。现象，包括太阳黑子、耀斑、日冕物质抛射及日饵等现象。太阳耀斑太阳耀斑是
10、一种剧烈的太阳活动现象，是一种剧烈的太阳活动现象，表现为太阳局表现为太阳局部辐射的突然增强，电子、质子及一些重离子被加速部辐射的突然增强，电子、质子及一些重离子被加速到接近光速，这些离子发出的电磁波波段由电磁波谱到接近光速，这些离子发出的电磁波波段由电磁波谱上的长波微波至最短波长的上的长波微波至最短波长的射线。耀斑的产生是磁射线。耀斑的产生是磁场能量快速释放的结果。这些电磁波能干扰地球的广场能量快速释放的结果。这些电磁波能干扰地球的广播通讯及无线导航系统，而带电荷粒子亦能对航行中播通讯及无线导航系统，而带电荷粒子亦能对航行中的太空船和人造卫星构成危险，也会使太空人处于较的太空船和人造卫星构成危
11、险，也会使太空人处于较高辐射环境中。高辐射环境中。太阳活动太阳活动-太阳耀斑太阳耀斑 u耀耀斑斑是是光光球球层层小小区区域域的的剧剧烈烈爆爆发发，可可能能持持续续几几分分钟钟至至几几小小时时。根根据据波波长长65626562的的光光发发亮亮的的面面积积，耀耀斑斑分分为为1-41-4四四级级。耀耀斑斑大大多多在在持持续续长长时时间间的的暗暗区区(黑黑子子)以以及及增增强强的的65626562发射区发展起来。发射区发展起来。u光光学学可可见见的的耀耀斑斑是是比比较较冷冷的的等等离离子子体体，温温度度大大约约为为104K104K，其其主主要要部部分分位位于于5000km5000km的的较较低低的的高
12、高度度，也也有有可可能向上延伸到低日冕。能向上延伸到低日冕。u眼眼睛睛见见到到的的发发亮亮是是由由于于等等离离子子体体密密度度突突然然增增高高。可可见见到的区域可能有可见日盘的千分之一，但厚度只有到的区域可能有可见日盘的千分之一，但厚度只有20km20km。太阳活动太阳活动-日冕物质抛射日冕物质抛射日冕物质抛射（日冕物质抛射（CME）是从太阳的日冕层抛射出来是从太阳的日冕层抛射出来的物质，通常可以使用日冕仪在白光下观察到。抛射的物质，通常可以使用日冕仪在白光下观察到。抛射出来的物质主要是电子和质子组成的等离子体，加上出来的物质主要是电子和质子组成的等离子体，加上伴随着的日冕磁场。日冕物质抛射（
13、伴随着的日冕磁场。日冕物质抛射（CME）是太阳）是太阳系内规模最大，系内规模最大，程度最剧烈的能量释放过程。一次爆程度最剧烈的能量释放过程。一次爆发可释放多达发可释放多达1025焦耳的能量和焦耳的能量和1013 千克的太阳等离千克的太阳等离子体到行星际空间子体到行星际空间，并且伴随，并且伴随10keV-1GeV 的高能粒的高能粒子流。子流。CME爆发时，抛出大量的等离子体和以及固爆发时，抛出大量的等离子体和以及固结其中的磁场结构（磁通量）。而大量物质和巨大能结其中的磁场结构（磁通量）。而大量物质和巨大能量将在太阳大气以及行星际空间产生激波，引发近地量将在太阳大气以及行星际空间产生激波，引发近地
14、空间的地磁暴、电离层暴和极光等。空间的地磁暴、电离层暴和极光等。太阳活动太阳活动-日冕物质抛射日冕物质抛射太阳活动太阳活动-日饵日饵日日饵饵是是太太阳阳色色球球喷喷出出的的似似火火焰焰状状的的等等离离子子体体，温温度度只只有有7000K7000K，悬悬浮浮在在比比其其稀稀薄薄的的多多的的上上百百万万K K的日冕中。的日冕中。太阳活动太阳活动-太阳黑子太阳黑子 太阳黑子是太阳表面上的阴暗太阳黑子是太阳表面上的阴暗区域，一般成群出现，主要出现区域，一般成群出现，主要出现在太阳纬度在太阳纬度5 5 至至3030 之间，它拥有之间，它拥有很很强的磁场强的磁场，而其，而其温度温度则较其它则较其它地区地区
15、低低。太阳黑子的数量通常用。太阳黑子的数量通常用作太阳活动的指标。在太阳周期作太阳活动的指标。在太阳周期高峰时，太阳黑子的数量会明显高峰时，太阳黑子的数量会明显增加，多达数百。增加，多达数百。太阳活动周期太阳活动周期太阳黑子数和太阳活动都有大约太阳黑子数和太阳活动都有大约1111年的周期变化，黑子数年的周期变化，黑子数高称为太阳活动高年，黑子数低称为太阳活动低年高称为太阳活动高年，黑子数低称为太阳活动低年 量化太阳活动性的主要指数是黑子数，即量化太阳活动性的主要指数是黑子数，即R指数指数1958年年有有一一个个峰峰，R数数值值高高达达250，在在太太阳阳黑黑子子极极小小值值的的年年 份份，如如
16、1954，1965，1976和和1986年年，R降降至至20以以下下甚甚至至10以下。以下。对对每每个个11年年周周期期，其其变变化化形形态态是是不不对对称称的的，从从极极小小升升至至极极大大平平均均4.4年年，从从极极大大降降到到极极小小平平均均6.6年。上升的越快，达到的极大值越高。年。上升的越快，达到的极大值越高。太太阳阳黑黑子子活活动动水水平平的的观观测测用用不不带带滤滤光光镜镜的的望望远远镜以白光方式进行。镜以白光方式进行。研研究究太太阳阳黑黑子子数数目目长长期期变变化化有有助助于于预预测测未未来来周周期期的的时时间间和强度。和强度。太太阳阳黑黑子子数数时时间间序序列列的的谱谱分分析
17、析表表明明，存存在在着着其其他他重重要要变变化化的的周周期期另另外外，1111年年的的周周期期并并不不是是特特别别稳稳定定，可可以以在在9 9至至1414年之间变化，比较强的周期似乎比较早到来。年之间变化，比较强的周期似乎比较早到来。有有些些证证据据，特特别别是是太太阳阳与与天天气气关关系系方方面面的的证证据据表表明明，存存在在2222年年周周期期，即即双双黑黑子子周周期期。太太阳阳活活动动与与某某些些地地球球现现象象的的关关系系研研究究也也表表明明，存存在在2222年年周周期期，而而不不是是1111年年周周期期。与与1111年周期不太稳定相反，年周期不太稳定相反，2222年周期相当稳定。年周
18、期相当稳定。另一个度量太阳活动性的指标是另一个度量太阳活动性的指标是太阳耀斑的发生率太阳耀斑的发生率。它与。它与太阳黑子数量有以下关系，太阳黑子数量有以下关系，其中其中是是在在一一个个自自转转周周期期27天天内内观观测测到到的的耀耀斑斑数数目目，R是是平平均均黑黑子数，子数，是决定于观测站的常数，介于是决定于观测站的常数，介于1.5至至2之间。之间。太太阳阳活活动动性性的的第第三三种种重重要要的的表表征征是是10cm10cm射射电电通通量量，其其使使用用的的单单位位是是1010-22-22WmWm-2-2HzHz-1-1，这这个个量量与与太太阳阳黑黑子子数数密密切切相相关关，而而且且因因其其观
19、观测测不不受受天天气气的的影影响响而而特特别别有有价价值值。用用一一窄窄束束天天线线扫描太阳盘面，能画出活动区的位置。扫描太阳盘面，能画出活动区的位置。卫卫星星观观测测表表明明，太太阳阳总总的的电电磁磁辐辐射射在在一一个个活活动动周周期期内内变变化化小于小于0.1%0.1%。太阳风太阳风 太阳风的发现太阳风的发现大约大约100100年前，人们发现在太阳出现大耀斑之后年前，人们发现在太阳出现大耀斑之后1-21-2天，地磁场会发生显著变化，从而认识到太天，地磁场会发生显著变化，从而认识到太阳有动力学输出的第一个证据。这阳有动力学输出的第一个证据。这1-21-2天的滞后天的滞后时间表明在日地之间的运
20、行速度约为时间表明在日地之间的运行速度约为1000km/s1000km/s，这使人们想到这种输出可能是太阳的粒子发射。这使人们想到这种输出可能是太阳的粒子发射。1930-311930-31年，年，ChapmanChapman和和FerraroFerraro提出从太阳提出从太阳偶尔偶尔发射出的粒子流会压缩地磁场，地磁场在太阳风发射出的粒子流会压缩地磁场，地磁场在太阳风中形成一个地磁空腔，后来叫做中形成一个地磁空腔，后来叫做“磁层磁层”。19581958年年ParkerParker理论上证明太阳大气是连续不断地理论上证明太阳大气是连续不断地向外膨胀的。向外膨胀的。19591959年年“月球月球1
21、1号号”卫星首次测到卫星首次测到太阳风，太阳风，19611961年年“探索者探索者1010号号”也观测到太阳风。也观测到太阳风。地球轨道上地球轨道上19621962年至年至19701970年测量的太阳风速度年测量的太阳风速度 太阳风密度与速度的可变性示例。太阳风密度与速度的可变性示例。图中给出在一个太阳旋转周期图中给出在一个太阳旋转周期(27(27天天)上的变化。可以看上的变化。可以看出，一定程度上密度与速度之间存在负相关。出，一定程度上密度与速度之间存在负相关。太阳风速度太阳风速度300km/s300km/s时，太阳赤道面内，太阳风和行星际磁场的构形。时，太阳赤道面内，太阳风和行星际磁场的构
22、形。太阳风的扇形结构示意太阳风的扇形结构示意 行星际磁场与地球磁场发生磁重连行星际磁场与地球磁场发生磁重连 冕洞作为高速太阳风的源示意图。冕洞作为高速太阳风的源示意图。+和和-号表示冕洞内部日号表示冕洞内部日冕磁场的性状。冕洞外的阴影区域表示受限的等离子体。冕磁场的性状。冕洞外的阴影区域表示受限的等离子体。a)a)一个稳定的局域的高速等离子体流与较慢的背景太阳风的相一个稳定的局域的高速等离子体流与较慢的背景太阳风的相互作用示意图；互作用示意图；b)b)来自日冕的高速等离子体驱动一个行星际激波示意图。喷射来自日冕的高速等离子体驱动一个行星际激波示意图。喷射的等离子体包含一个有序的磁场，但在激波和喷射物之间磁场的等离子体包含一个有序的磁场，但在激波和喷射物之间磁场是湍流的。是湍流的。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢