1、空间科学空间科学太阳与太阳风太阳与太阳风 北京大学地球与空间科学学院北京大学地球与空间科学学院 美国宇航局卫星捕捉到地球“歌声”似鸟鸣 来源：科学网 发布时间：2012-9-24 13:00:10内容提要内容提要1. 太阳的结构太阳的结构2. 太阳爆发性活动太阳爆发性活动3. 太阳周期性活动太阳周期性活动4. 太阳活动对地球空间的影响太阳活动对地球空间的影响SOHO卫星看太阳：卫星看太阳：6 Views白光白光磁像仪磁像仪极紫外极紫外 171 A (1 million K)白光日冕仪白光日冕仪极紫外极紫外 284 A (2 million K)极紫外极紫外 304 A (70,000 K)太阳
2、的结构 日核日核 辐射区辐射区 对流区对流区 太阳大气太阳大气光球层、色光球层、色球层、过渡球层、过渡区和日冕区和日冕核核辐射区辐射区对流区对流区 太阳太阳日冕日冕光球层光球层冕冕洞洞太阳黑子太阳黑子色球层色球层日珥日珥针状体针状体日核日核-核反应区核反应区 厚度约为太阳半径的厚度约为太阳半径的1/4，太阳能量的，太阳能量的99%是由中心是由中心氢聚变氢聚变为氦为氦的核反应产生的。的核反应产生的。deuterium with tritium氘氚氦中子辐射区辐射区 太 阳 厚 度 的太 阳 厚 度 的25%到到70%，在核心产生的在核心产生的能量由光子向能量由光子向外输送外输送辐射区辐射区对流区
3、对流区 光球层光球层日核日核对流区对流区底部的温度高，顶部的温度低，底部的温度高，顶部的温度低，形成对流。形成对流。太阳的密度太阳的温度太阳大气 太阳大气层从太阳大气层从内到外分为内到外分为光光球层球层、色球层、色球层、过渡区过渡区和和日冕日冕； 太阳大气的主太阳大气的主要 成 分 是 氢要 成 分 是 氢（ 质 量 约 占（ 质 量 约 占7 1 % ） 与 氦） 与 氦（ 质 量 约 占（ 质 量 约 占27%）；）；核核辐射区辐射区对流区对流区 太阳太阳日冕日冕光球层光球层冕冕洞洞太阳黑子太阳黑子色球层色球层日珥日珥针状体针状体光球层光球层 是肉眼可看见的日轮，是肉眼可看见的日轮，几百公
4、里厚；几百公里厚； 可见光波段的辐射几可见光波段的辐射几乎全部是光球层；乎全部是光球层； 光球层的许多征，：光球层的许多征，：暗的暗的黑子黑子、亮的、亮的光斑光斑、米粒米粒和和超米粒超米粒结构。结构。太阳黑子太阳黑子 太阳光球上的黑太阳光球上的黑色斑点，是光球色斑点，是光球上上温度较低、磁温度较低、磁场很高场很高的区域的区域Swedish 1-m Solar telescope, La Palma, Canary Islands太阳黑子太阳黑子米粒米粒太阳黑子的形成太阳黑子的形成高通量的带电粒子和强磁场会阻碍对流,限制热量传输到太阳表面;以至于部分光球层冷却，因此看上去黑一些。磁场俘获的粒子磁
5、场俘获的粒子太阳黑子太阳黑子 对流元对流元色球层色球层 在光球层上面的不在光球层上面的不规则层，大约规则层，大约1500公里厚。公里厚。 用单色光观测，可用单色光观测，可以看见它是一个美以看见它是一个美丽的玫瑰红色的气丽的玫瑰红色的气层，因而得名光球层，因而得名光球层。层。过渡区过渡区 色球层与日色球层与日冕之间的薄冕之间的薄层，在层，在 这个这个层的层的 上下，上下，温度发生急温度发生急剧变化。剧变化。太阳未解之谜太阳未解之谜1 太阳风是怎样太阳风是怎样被加速的？被加速的？日冕 过渡区之上是日冕过渡区之上是日冕层，延伸到数倍太层，延伸到数倍太阳半径处；阳半径处； 日冕是温度日冕是温度108K
6、的的高温、稀薄等离子高温、稀薄等离子体；体；Sunspot MinimumSunspot Maximum酒泉.金塔, 2008年8月日冕环日冕环日冕环与地球比较日冕环与地球比较冕洞 在太阳在太阳x射线射线成像中暗的区成像中暗的区域称域称冕洞冕洞； 冕洞是高速太冕洞是高速太阳风的源；阳风的源；太阳风太阳风 在太阳表面，日冕气体温度很高，足以克在太阳表面，日冕气体温度很高，足以克服太阳引力，以服太阳引力，以400800km/s的典型速度的典型速度离开太阳，这个外流的等离子体称为太阳离开太阳，这个外流的等离子体称为太阳风；风； 太阳风主要由质子和电子组成，也有少量太阳风主要由质子和电子组成，也有少量
7、的氦核与重离子；的氦核与重离子； 太阳风高速流来自冕洞。太阳风高速流来自冕洞。太阳风太阳风太阳风速度随纬度的变化太阳风速度随纬度的变化26太阳风速度随太阳活动的变化（太阳风速度随太阳活动的变化（11年变化）年变化）2、太阳爆发性活动、太阳爆发性活动 日冕物质抛射日冕物质抛射 太阳耀斑太阳耀斑日冕物质抛射(CME) 日冕物质被加热和加速，速度超过逃逸速日冕物质被加热和加速，速度超过逃逸速度而飞向行星际空间；度而飞向行星际空间； 大的大的CMECME可抛出可抛出10亿吨物质，喷发速度可亿吨物质，喷发速度可达达2000km/s； 在太阳活动峰年，太阳每天发生大约在太阳活动峰年，太阳每天发生大约3次次
8、CMECME :在太阳活动低年，大约每在太阳活动低年，大约每5天发生一天发生一次次CMECME。CME的演变太阳耀斑 太阳爆发性的能量释放过程，持续时间从太阳爆发性的能量释放过程，持续时间从几十秒到几小时。几十秒到几小时。 主要特征是主要特征是电磁辐射电磁辐射急剧增大；在强耀耀急剧增大；在强耀耀斑期间，紫外和斑期间，紫外和X射线辐射可增强射线辐射可增强100倍。倍。 一次大耀斑释放的能量高达一次大耀斑释放的能量高达1025J，相当于，相当于4百亿个广岛原子弹。百亿个广岛原子弹。 在太阳活动高年，每周大约观测到一次耀在太阳活动高年，每周大约观测到一次耀斑。斑。太阳黑子与太阳耀斑耀斑形态耀斑形态耀
9、斑与能量释放耀斑伴随的射线发射太阳耀斑分级太阳耀斑分级 B: B1,B2,B10（微小耀斑）（微小耀斑） C: C1,C2,C10（小耀斑）（小耀斑） M: M1,M2,M10（中等耀斑）（中等耀斑） X: X1,X2,(大大耀斑耀斑)耀斑引起太阳表面震动耀斑引起太阳表面震动CME与耀斑 大约有一半的大约有一半的CME与耀斑无关；与耀斑无关； 耀斑耀斑伴随着强烈的电磁辐射伴随着强烈的电磁辐射 ，并不总有粒，并不总有粒子辐射；而子辐射；而CME主要是抛射物质（磁化的主要是抛射物质（磁化的等离子体）；等离子体）； 大磁暴与大磁暴与CME密切相关，只有同时有强粒密切相关，只有同时有强粒子辐射的子辐射
10、的耀斑耀斑才引起磁暴。才引起磁暴。太阳未解之谜太阳未解之谜2 产生产生耀斑和耀斑和CME的确切原因是的确切原因是什么？什么？3、太阳周期性活动、太阳周期性活动 太阳电磁辐射与粒子辐射周期性的变化太阳电磁辐射与粒子辐射周期性的变化称为太阳的周期性活动；称为太阳的周期性活动； 主要周期活动：主要周期活动：27天天太阳自转周变化、太阳自转周变化、太阳黑子的太阳黑子的11年年周期变化和太阳磁场极周期变化和太阳磁场极性的性的22年年周期变化。周期变化。太阳黑子太阳黑子 太阳黑子随太阳表面旋转，从地球上看，太阳黑子随太阳表面旋转，从地球上看，一个完整的旋转需一个完整的旋转需27天；天； 黑子群，特别是具有
11、复杂磁场位形的黑子黑子群，特别是具有复杂磁场位形的黑子群常常是发生耀斑的地方；群常常是发生耀斑的地方；黑子的月平均数变化翻身陀螺太阳磁场极性的太阳磁场极性的22年年周期变化周期变化X-ray Sun, 1991-1995, Yohkoh images every 4 months11年太阳活动周期年太阳活动周期太阳磁场 太阳磁场形态比太阳磁场形态比地磁场复杂得多，地磁场复杂得多，图中黑、白相应图中黑、白相应于不同极性；于不同极性； 太阳黑子区磁场太阳黑子区磁场最强；最强； 所有太阳活动都所有太阳活动都与磁场的演变有与磁场的演变有关。关。太阳表面磁场太阳表面磁场太阳风与日地关系 太阳风等离子体是
12、联系太阳活动与地球空太阳风等离子体是联系太阳活动与地球空间变化的纽带；间变化的纽带； 太阳风在接近磁层时的状态直接影响地球太阳风在接近磁层时的状态直接影响地球空间的变化；空间的变化；太阳可变性 电磁辐射电磁辐射：在在22年太阳活动周中，年太阳活动周中，可见光波长变化比较小可见光波长变化比较小，在在短波区短波区(紫外和紫外和射线射线)及射频变化可达及射频变化可达100倍倍；在耀斑期间在耀斑期间射线变化可达射线变化可达106。在在11年太阳黑子周中太阳总输出功率变化是千分年太阳黑子周中太阳总输出功率变化是千分之几之几，但足以影响气候变化。，但足以影响气候变化。 带电粒子带电粒子：包括低能太阳风等离
13、子体和高能粒：包括低能太阳风等离子体和高能粒子，它们携带了太阳的部分能量。太阳风有以子，它们携带了太阳的部分能量。太阳风有以27天为周期的变化和由于日冕喷射的偶然变化。天为周期的变化和由于日冕喷射的偶然变化。描述太阳活动的主要参数 太阳黑子数；太阳黑子数； 10.7cm射电通量射电通量(F10.7)； 耀斑级耀斑级； 日冕物质抛射（日冕物质抛射（CME）；）； 太阳风速度太阳风速度 1 10.7cm7cm射电通量射电通量(F1(F10.7)7)日冕物质抛射对地球空间的影响日冕物质抛射对地球空间的影响 磁暴磁暴 高能电子暴高能电子暴 太阳质子事件太阳质子事件太阳爆发对地球空间的效应 X射线暴射线
14、暴8分钟到达地球分钟到达地球电离层突然骚电离层突然骚扰扰 相对论高能粒子相对论高能粒子10几分钟到达地球几分钟到达地球极极区电离层电离增加区电离层电离增加影响极区通讯影响极区通讯 太阳能量粒子太阳能量粒子几个小时到达地球几个小时到达地球对航对航天员的危害天员的危害,对航天器的危害对航天器的危害 高速太阳风高速太阳风2天左右到达地球天左右到达地球磁暴磁暴,亚亚暴暴 电离层突电离层突然骚扰；然骚扰； 电离层暴；电离层暴； 极盖吸收极盖吸收事件事件 磁暴磁暴 磁层高能磁层高能粒子暴粒子暴太阳爆发对地球空间的效应当前关注的问题当前关注的问题 日冕加热机制日冕加热机制 太阳风加速机制太阳风加速机制 耀斑
15、触发机制、预报方法耀斑触发机制、预报方法 CME发生的原因、预报方法发生的原因、预报方法 太阳风与磁层相互作用太阳风与磁层相互作用附加地磁场附加地磁场附加太阳风和附加太阳风和 IMFIMF附加地磁暴附加地磁暴1.看图回答下列问题看图回答下列问题 （1）估算白天）估算白天D层，层， E层和层和F1，F2层的高度，并计算此时电磁波反射的临界频率。层的高度，并计算此时电磁波反射的临界频率。（2) 估算夜晚估算夜晚D层，层， E层和层和F1，F2层的高度，并计算此时电磁波反射的临界频率。层的高度，并计算此时电磁波反射的临界频率。第二次作业第二次作业2.求实现磁镜反射的临界投射角求实现磁镜反射的临界投射角 （即给出（即给出 与磁与磁场场 、 的关系式）的关系式）（1）轴对称的、两端加强的磁场区域构成一对磁镜）轴对称的、两端加强的磁场区域构成一对磁镜（2）设在中心处粒子的速度为）设在中心处粒子的速度为 ，速度与轴的夹角为，速度与轴的夹角为 ，磁场为，磁场为 ，在，在磁镜两端磁场强度为磁镜两端磁场强度为 。0v v00BMB0ccMB0B本次作业本次作业 什么是太阳黑子？太阳黑子的形成什么是太阳黑子？太阳黑子的形成 什么是太阳耀斑？什么是太阳耀斑？ 什么是日冕物质抛射？什么是日冕物质抛射？ 什么是太阳活动周？什么是太阳活动周？
