太阳黑子观测方法与黑子峰年地球环境的响应

太阳黑子观测方法与黑子峰年地球环境的响应 太阳黑子观测方法与黑子峰年地球环境的 响应 第2卷第4期 200O年12月 沈阳教育学院 Join-halofShenyangCollegeofEducation V01.2No.4 Dec.2o00 太阳黑子观测方法与 黑子峰年地球环境的响应 t 期j9 摘要:太阳黑子活动已进入第23号】1年周期.2ooo年是太阳黑子活动峰年,开 展太阳黑子观测取得连续,翔实的第一手数据,对探讨地球环境对黑子峰年的响应有 自然环境及变化过程对人类活动的影响, 随着人类高科技活动与自然界某些状态的相 遇.已明显地表现出导致突发性的破坏事件产 生.太阳活动的强弱对地球整体环境,地表某 些地区的影响及某些技术系统的破坏.正是这 类突发性破坏事件的一种新例.因此,研究太 阳黑子活动及地球环境的响应很有现实意义. 按照国际天文学会的规定.从1997年起, 太阳黑子活动开始进入第23号l1年周期.根 据太阳黑子活动反映的在一个周期中黑子数由 谷年增加至峰年的时段相对较短,由峰年减弱 至谷年的时段相对较长的特征,2000年已是 太阳黑子活动的峰年.本着教学与实践研究相 结合的原则,为加强培养学生调查研究,分析 问题,解决问题的能力,地理系天文观测小组 1一O5 从2ooo年4月1日起,对太阳黑子进行了连 续观测.文章是观测小组对太阳黑子观测方法 小结和太阳黑子峰年地球环境响应的讨论. 一 ,太阳黑子活动和我国对黑子观测概况 太阳是已形成约50亿年,进人”中年期” 的一颗恒星,但它仍处于基本稳定的状态,其 辐射总量变化甚微.然而.它的外层大气受太 阳磁场的支配,处于局部的激烈运动中,被称 为太阳活动.从某种意义上说,太阳活动可以 通俗地比喻为”天气变化”,它使得太阳辐射 在紫外线和x射线波段有大幅度的变化.太 阳大气有时比较平静,叫宁静太阳;有时变化 激烈,叫扰动太阳.太阳活动主要是指扰动太 阳的状况. 1.太阳黑子活动 收稿日期:20oo—OlOl一19 作者简介:郑跷非(1965一),女,辽宁沈阻人.沈阳大学师范学院地理系, 讲师. 扰动太阳的最明显的标志之一是黑子.黑 子是出现在太阳明亮光球层上的暗色区域.黑 子其实不黑,只是其温度比周围区域低45130K 左右,在明亮的光球反衬下呈现暗色.黑子的 大小不等,形状各异,大多成对或成群出现, 复杂的黑子群由几个大小不等的黑子组成.小 黑子的线度约10130千米,大黑子的线度可达 2O0OO0千米以上. 赶阳黑子是一个不断产生和成长,叉不断 衰弱和消逝的过程.充分发展的黑子由较暗的 核(本影)和围绕的较亮部分(半影)构成, 形状如一个浅碟,中间凹陷约数百千米.黑子 从开始出现到消亡经历一系列发展阶段:初期 为一个小黑子,有时逐渐发展成极性相反的阿 个较大的黑子,形成黑子群,最终演化消亡. 有些小黑子则出现仅几小时就消亡.依据黑子 发展过程可对黑子进行分类研究. 黑子的分布范围多半限于日面南北纬5至 25度之间的低纬区域,赤道和高纬区域甚少. 而且黑子出现的区域在这个纬度带内定期往 返.黑子一般在日面东边缘出现,在西边缘消 失,离日面边缘较远一边的半影宽度比靠近边 缘一边的半影宽度缩减的更快(喊尔逊效应). 黑子群几乎全部呈椭圆形,其长轴和日面的东 西线呈一小角度,并伴随黑子所在日面纬度的 增加略有增加. 太阳活动除黑子外,还有光斑,耀斑,日 珥及日冕膨胀等.这些现象基本都与黑子的变 化同时增减,他们出现在太阳表面局部区域且 时间比较短暂,但他们的出现也是扰动太阳的 直接和重要的标志.一般地,可以用黑子群和 黑子数目来衡量太阳活动的平均水平.这表 明:太阳活动实际上就是一个整体,地球环境 对黑子峰年的响应也应包括他们的作用. 2.我国对太阳黑子观测概况 太阳黑子是日面上最容易观测的现象,是 太阳活动区域主体.关于太阳黑子观测.我国 有世界上最早的观测记录,《淮南子?精神训》 有”日中有蹲鸟”的记载.《汉书?五行志》对 于公元前28年出现的大黑子记载更详:汉成 一 102一 帝河平元年”三月乙末.日出黄,有黑气大如 钱,居日中央”. 随着现代天文学的发展,对黑子连续地观 测是从1924年在青岛观象台开始的.北京天 文馆从1957年7月1日起.使用物镜口径 130mm折射天文望远镜采用目视描图法观测; 北京天文台沙河工作站从1958年起,使用物 镜口径80mm天文望远镜用照相方法观测;中 山大学,北京师范大学等几所高校天文系也从 5O年代开始观测.系统地对太阳黑子观测. 则是1954年由国内的天文台,工作站和高校 组成的全国性的黑子联合观测网,观测数据由 南京紫金山天文台负责集中整理,联合发布. 并且统一了技术和增加了观测指标. 今日,随着我国天体物理学的研究和航天 技术的发展,全国的天文台(站)均开展黑子 观测工作.相对地讲,东北地区对黑子观测还 处于较薄弱状况. 二,太阳黑子的观测方法 取得太阳黑子活动的科研数据与图像.最 普遍的方式是对太阳黑子进行观测.目前,观 测太阳黑子采用的方法主要有目视描图和照相 两种方法. 1.黑子目视描图观测方法 观测仪器:一架物镜口径在100rran以上 的折射或折反射天文望远镜,并附有赤道式转 仪钟和目镜端投影板. 观测时间:每日的l2时前后. 观测记录准备:制备天文台观测黑子用图 纸若干张及HB,H一5H铅笔等.其中: (1)日面像的直径为174毫米. (2)大气宁静度,稳定度分为五级: a,像的边缘难看到抖动,圆面看不到抖 动: b,边缘抖动小,圆面难看到不稳定; c,边缘抖动明显,圆面的稳定性差: d,像边缘和圆面的不稳定明显看到,边 缘出现波纹或大的抖动; e,不稳定性严重,高于4级. (3)黑子明晰度分为五级: a,半影,本影边界明锐,半影纤维和米 粒组织清晰可见; b,半影,本影边轮廓清楚.米粒和半影 细节清楚; c,半影,本影边界轮廓清楚,半影细节 隐约可见; d,半影,本影边界可分,半影细节不可 见,米粒模糊; e,劣于4级 (4)采用国际通用的沃尔夫方法计算和填 写黑子相对数于表格中. 计算公式为:R:K(1og+fj 式中R是黑子相对数;K为仪器与人差的 换算因子,可暂取为l;g是日面上黑子的巷 群数;f是日面上黑子的总个数. 太阳黑子观测记录图纸 当天日周方位角(P):编号: 当天日轮中心经度(【0J_———— 年一 月一 日 当天日轮中心纬度():北京时间:时分 当时日轮中心经度(L):——世界时:一 时—— 分 (N)0o 天气悄 宁静度 晴蜥度 观测人 (W)900 INSN+s Gf Fl RI 描图方法:按照观测小组定好的每日时 刻,在晴朗的日子里,中午前后将望远镜瞄准 太阳.调好目镜的焦距,使投影板呈现出清晰 的太阳像.在投影板上夹一张图纸.调动投影 板的前后,使日面太小与图的圆圈相符,然后 用望远镜的微动旋钮谴整太阳像,使一个明显 的黑子落在东西线上;转动赤经的微调旋钮, 看黑于是否沿着东西线移动,如果不符合,就 要再调整投影板,直到黑子沿着东西线移动为 止. 定好投影板之后,就可以用铅笔勾画黑子 图了,让望远镜跟踪日面移动,先用硬铅笔描 黑子的半影轮廓,再用软铅笔描下本影;先描 西边的黑子,再描东边的黑子;先描太黑子 群.然后描小黑子群.描绘完毕,还要用前一 天描绘的黑子图照看一遍,看是否有遗漏,并 手持一张白纸片在图上晃动,搜寻遗漏的小黑 子,然后追补上.最后把图纸取下,把一切项 目填全. 2.黑子照相观测 取下照相机的镜头,直接把照相机的底片 盒接在目镜处,即可对太阳进行拍照.(注意 在物镜上加上滤光片减光至l,2000,否则会烧 毁相机)拍照前要调整焦距,直到在照相机的 取景框中看到了黑子为止.用普通感光度为 100的胶卷取11125,11250,11500秒等,选择 大气情况最佳时机.按动快门,即可得到一张 清晰的太阳黑子像. 三,太阳黑子周期变化及地球环境的响应 通过对太阳黑子活动强弱的较长期观测和 统计分析,天文学家已明确得出黑子活动具有 周期性. 1.黑子活动周期 以太阳黑子相对数变化的l1年周期 从德国天文爱好者施瓦布(1843年)在 分析自己几十年的黑子观测记录,发现黑子多 少的变化有10,11年的重复性,到瑞士天文 学家沃尔夫(1848年)用统计方法提出黑子 相对数,并推算得出黑子数连续两次极大年的 时间为7.3——17.1年,经过近百年的实测 证实,太阳黑子具有11.1年左右的周期变 化.被称为太阳活动基本周期.为了便于记录 和研究太阳黑子变化过程,国际上规定,给每 个周期的从极小年开始起编号,并定1755年 开始的那个周期为第1号(以前的周期编号为 0.一1,一2……).到2000年,太阳黑子活 动已进人第23个周期的峰年,因此,有人称 今年为”2000年太阳风暴年”. 一 l03— 以太阳黑子磁场变化的22年周期 美国天文学家海耳(1908年)在研究黑 子活动时,发现了太阳黑子具有磁性.即在一 个黑子群中,如果前导黑子是N极,则后随 黑子为S极.这种称之为双极群的黑子群的变 化规律与黑子数变化的11.1年周期具有一定 的迭加性,表现出新周期出现的黑子具有的磁 极性待续的变化为22年一次.因此,按黑子 磁场变化太阳黑子活动的”完整周期为22 年常称为磁极转换周期或海耳周期. 上述两种周期的统计曲线与迭加关系如图 1所示. 八,…州m”““嚣.sl/”“ \;\, /砸,//氰//i/一?????????t?t 图1黑子活动周期曲线与黑子磁场变化规律关系图 太阳黑子活动变化的其他研究 上世纪下半叶,沃尔夫经过研究指出:11 年周期的最强的极大高度还存在有约8o年长 周期的变化.1939年,格莱斯堡证实了沃 夫数具有长度等于7个基本周期(约78年) 的周期性变化.人们已得到一定的证实:太阳 活动11.1年周期是太阳活动现象频数的变化 规律,而8o年周期则是太阳活动平均强度的 变化规律. 除了80年周期,黑子活动可能还有更长 的周期.1948年,彼得切钦斯基提出太阳活 动有190年周期的假说;1975年,我国专家林 元亨等人根据极光资料求得太阳活动有2?年 左右的周期.1955年,林克根据历史上彗星 出现数目的关系推算出太阳活动有400年的周 期变化.对于这些超长周期研究,目前观测剥 间序列不够,是否确切存在,尚待加以统计研 究. 一 104— 2.黑子峰年地球环境的响应 从l9印年人类进入空间时代以后,通过 许多空间探测器的测量.发现了太阳风,行星 际磁场和地球磁层,并证实太阳发出的连续粒 子流吹过地月空间,远及土星轨道之外.许多 事件说明太阳活动对日地空间环境的细观变化 状况有深刻影响,地球上的电离层突变,地球 磁场变化,短波通讯的异常,气候变化以及包 括人类宇宙航行安全在内的诸多问题均为太阳 黑子峰年地球环境的响应. 地球电离层的响应 电离层突然干扰(SID).主要是由l至lO 埃的太阳软x射线爆发引起的,表现为D层 电离度急剧增加,引起地球向阳的半球上短波 和中波天线电信号立即衰减或完全中断,但一 般只持续几分钟到1小时.与此同时,长波信 号则突然加强.现今.对电离层暴一些国家可 进行预报. 时问,地点响应事件 2000t7t16中国 2000/6/6西半球 2000/6/2中国 2000.,’4.,’12中国 l998加, 美,德 持续2o多小时的太阳风暴 使北京的个别寻呼台业务中断 全国卫星通信系统和短波信号 受到严重干扰,噪声加大. 全国范围内短波信号受到 干扰,持续17小时卫星通信 和卫星导航定位等系统受到干 扰.甚至中断. 对短波信号影响强烈. 大部分地区短波信号受到 干扰,持续时间半小时. 厦门股票信息讯号中断. 美国1颗通信卫星和德国的 1颗科学卫星失效,多颗卫星异 常.美一个核电站变压器被毁. 加拿大一个电力系统停电9小 时. 地球气候与农业的响应 太阳活动变化引起地球上气候变化的因果 关系目前虽没有查明,但从系统资料分析二者 肯定是有关的. 太阳活动对地球总辐射量和特殊辐射量的 长期变化或瞬时变化都引起地球大气的响应. 对太阳常数的长期测量证实它的变化小于 1%.即全球气温变化l?需要太阳常数变化 1%.太阳活动和北半球降水关系也表现出三 个不同地理纬度带的降水量和黑子相对数之间 都具有l1年的周期. 沃尔夫研究得出:在瑞士,黑子多时气候 干燥农业丰收.反之,黑子少时气候潮湿,暴 雨成灾.统计世界市场1750至1905年小麦市 场价格,发现太阳黑子峰年前后粮价最低,谷 年前后粮价最高.同样,在第l9号l1年周期 的黑子峰年1958年,我国小麦产量比谷年增 加22%,前苏联增加54%,加拿大增加27%, 蔬菜产量有同样的规律.1969年已成为至今 世界粮食储备最多的年汾. 其他影响 太阳黑子与地震.统计数字表明.地震每 日频数与太阳黑子相对数有对应关系,在太阳 活动强烈年份附近,地震活动性与黑子密切相 关.如l960年5月22日智利大地震恰在黑子 群经过日面中央线的后两天发生. 太阳黑子与人体健康.在太阳活动上升的 日子里地面上产生了较强的磁扰,搞乱了人体 内的生物电流,造成了心血管疾病人的死亡, 统计表明,死亡人数是平日的3—4倍,但有 一 定的滞后性,在太阳活动较强的后三天对心 血管病人是最危险的,被称为”致命日”.这 样.如果天文台及时预报,医院叉采取就 会挽救大批心血管病人.在国外已经开始这样 做了.太阳活动对人的影响是十分微妙的.当 太阳活动上升时,大量的高能射线袭来,强离 子袭击就可以影响人的神经调节功能.人的判 断力,自控力,灵敏度也显着减弱.日本一位 学者对1943年,1965年的两个太阳活动周期 中东京的交通事故作了统计:在1000辆汽车 中,峰年附近车祸率为300,几乎是1/3,而 在谷年附近只有7O.在俄,印,德等国的统 计也是如此. 另外,太阳发射的高能质子射穿宇航员的 视神经,使眼内感到刺激性的闪光,对宇宙航 行安全产生影响. 参考文献: [1]张元末,等.太阳黑子[圳.北京:中国华侨出版公司,1989. [2]金祖盂.地球概论[圳.北京:高等教育出版社,1998 [3】张钰哲.等中国大百科全书一天文学卷[砌.北京:大百科全书出版 社,i995 Thewayofsunspotobservationandtheresponse ofearth’Senvironmenttothesunspotmaxinlunl ZHENGYdao—fei,ZHUNan,CA0Yang (Shenyangcou~.s~ofEducation,Shenyang110015,China) Absa-aet:ThesunspotaetivltyhascI’eintofile23rdelevenyears’wele.Thisy earisfilesunspotma:dmumWehave devdopedfilesunspotobservationandoptionaseriesofcontinta,usandaccur acydata.Weth/nkitisimportanttodiscussthe ealth’8? Iothesm’~potmaxinmminaseT1se.Atfilesometime,itcanimpro~,ethetheory researchofteachingand ~xlLtcatestudenls’abiofpractice. Keywords:fltlYt$p~activity;way0fsttaspotobservation;responseofeardl’s ~nvl/~mncnt (责任编辑吕成学)