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山海经中的日金乌负日与太阳黑子

放大字体  缩小字体 2021-04-16 11:42:41 来源:新浪科技综合
山海经中的日金乌负日与太阳黑子

  来源:中国国家天文

  / 我国古人对太阳黑子的观测

  远古时期,人们想要解释太阳的运行,似乎只有飞鸟能够承担此任务,所以古代的《山海经‧大荒东经》提到“汤谷上有扶木,一日方至,一日方出,皆载于乌”。是说在汤谷这地方有扶桑树,每天太阳都会到这里来,它是由乌来载着在天空中运动,所以也就有“金乌负日”这种说法。在现存汉代的帛画或墓画都可以看到金乌负日的图片。

  马王堆帛画的二足金乌

  后人推测,古人应该不是只看到鸟在空中飞翔而有这种想象,而是在太阳上真的看到了有像乌鸦一样的东西,所以在后来西汉的《淮南子‧精神训》当中会有“日中有踆乌”的记载,不过在这里踆乌的意思不大明确。到了东汉的王充就明确说出太阳上有种黑色的东西,但他不认为是乌鹊,而是位于太阳表面的“黑气”,所以之后如果有古人再看到现在所认识的黑子时,通常就会有“黑气”等说法。皇权制度认为太阳等其它天体与皇权有密切联系,它们的变化也就意味着天意。如果太阳上出现黑子,那就在一定程度上意味着天子、皇权有问题,所以皇权当中要有专责机构来观测天体现象,这就使我国历朝历代一直会对太阳黑子或其它天体持续观测和记载。比如在《汉书‧五行志》中就保存了现今公认最早的有明确日期的太阳黑子记录:“河平元年三月乙未(公元前28年5月10日),日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。这里的日期、时间、大小、位于日面位置等信息都较为清楚。

  / 伽利略的观测

  在欧洲,由于受到亚里士多德的影响,在17世纪前,人们通常会认为天体是静态的,只有地面万物才会变化,所以对于肉眼可观察到的黑子会视而不见。到望远镜发明后,人们才开始对黑子进行观测和记载,最具代表性的当属伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)。伽利略对太阳黑子所做最有意义的观测,是在1612年夏天对黑子持续观测数月。然而当时虽有望远镜的帮助,可做详细的记载,但仍有人不相信那是圣洁无暇的太阳所有的现象,而认为那是行星。伽利略持续数月的观测说明那些黑点不可能是行星,而是太阳表面或大气的东西。这时他还发现太阳会旋转,周期大约是27天。

  / 阴错阳差的发现

  在伽利略后的一百多年,人们对黑子并不重视。等到19世纪有一个叫做施瓦布(Samuel H。 Schwabe, 1825-1867)的德国药剂师想要藉由行星凌日的方式,寻找比水星轨道更靠近太阳的行星,于是从1825年开始做太阳黑子的手绘记录。经过43年总共绘制了四千多张太阳黑子的图片。

  施瓦布没有找到他所期待的行星,但长时间的观测发现黑子数目会随着时间增加、减少、再增加,他得出这数量存在一个10年周期的变化,这就是后人熟知的“太阳活动周期”,不过数值要修正为11年。

  / 太阳黑子的变化会影响地球

  另外一个同时期的英国业余科学家卡林顿(Richard Carrington, 1826-1875),他对黑子本身很感兴趣,每天只要天气允许就观测太阳黑子。在1859年9月1日这天早上,他把太阳影像投影在板上描绘黑子时,突然发现黑子中间区域瞬间增亮,又慢慢恢复,这让他非常兴奋。他事后把这现象汇报给英国皇家学会,当时他虽然对此现象感到激动,但不太了解其中意义。18个小时后,9月2日,格林尼治地磁台站探测到非常强烈的地磁扰动,事后还发现在地球中低纬度都可见到极光的记录。

  卡林顿观测到太阳黑子的A区与B区瞬间增亮(Carrington,1859)

  这里对照看一下当时在河北省石家庄附近所留下的记载:“秋八月,癸卯夜,赤气起于西北亘于东北” (引自《栾城县志》),这对应的时间就是1859年9月2日晚,可见在当时中国纬度40度处也产生极光,相当罕见。这就引人好奇:这些现象之间会有什么关系?不过最初发现时并没有人对此深入研究。

  /卡林顿的另外重要发现

  卡林顿对太阳观测还有另外两个贡献。他发现黑子出现在日面的位置并非随机,而是有规律可循,在一个新周期中,这些黑子会随时间从中纬度向低纬度迁移。如果把历年黑子出现的纬度沿着时间轴绘出,就会得到下面的蝴蝶图。

  太阳黑子在日面位置变化的图形,随着时间绘出,即可得到蝴蝶图

  第三个重要的发现是卡林顿看到不同纬度的黑子转一圈的时间不一样,赤道自转的比较快,极区转的比较慢,现在精确测量显示赤道大约25天转一圈,极区则要35天才转一圈。这种现象被称为“较差自转”。

  太阳的较差旋转

  /将耀斑与地表现象关联起来

  当年卡林顿看到黑子耀斑以及耀斑对地球的影响,并没有受到重视,没人意识到这些现象的关联。在这之间建立起关联的关键人物是德国科学家洪堡(A。 von Humboldt, 1769-1859),他是近代地理学的创建人之一。他曾在西伯利亚旅行中测量不同地方的地磁强度,也呼吁欧洲各国一起来做地磁监测。洪堡在哥廷根大学和他的朋友高斯一起组织一个跟地球磁场相关的协会,还在生前编纂了五卷本的巨著《宇宙》。

  萨拜恩(Edward Sabine, 1788-1883)是英国皇家学会的负责人,当他看到洪堡的《宇宙》这本书,读到书中描述施瓦布有关太阳11年周期的记载,他对照自己的地磁暴记录,发现地磁暴总是和极光有很好的对应,这些频繁出现的时段刚好是施瓦布报导黑子数目多的时期。这就使他得到一个结论:太阳爆发活动会造成地磁的扰动。这就使得科学家开始对太阳黑子持续监测,并且还有人去编纂前人对太阳黑子的监测结果。

  /历时最长的科学实验

  这工作主要由苏黎世天文台台长沃尔夫(Rudolf Wolf, 1816-1893)来承担,他在19世纪50年代开启持续对太阳的观测并整理过去的记录,这就使人类有了持续最长的科学实验:四百多年的太阳黑子记录。

  从这记录中可以看到施瓦布所提到的大约11年的周期现象。研究还发现在1700年之前的数十年黑子数量都很少,那阶段被称为蒙德(Maunder)极小期,大约等到1755年数量的变化才恢复11年的周期,因此就把1755年开始称为第一个太阳周,目前前一个周期刚结束,在2019年无黑子的天数达274天,现在新的周期正开始,被称为“第25太阳周”,预期近几年会看到越来越多的黑子,还会有大黑子出现。

  基于数代科学家持续积累的、四百多年的数据,所绘制的太阳黑子数随时间的变化图

  /从磁场切入对黑子的物理研究

  想要理解黑子的本质,需要用物理学的知识来理解。1896年荷兰物理学家塞曼(Pieter Zeeman, 1865-1943)发现,由原子能级间跃迁所产生的谱线,在足够强的磁场中会分裂,分裂大小与外加磁场成正比,这就提供了通过谱线去测量磁场的有效方法。

  美国天文学家海尔(George Ellery Hale, 1868-1938)最先把这项新的物理学发现用到黑子观测上,从1908年开始,透过光谱仪观测黑子,看到谱线分裂而得知黑子区域所对应的磁场是上千高斯,这是人们第一次在地球之外发现磁场。相较之下,地球的磁场不到1高斯,可见黑子区域的磁场相当大。

  借由塞曼效应探测太阳黑子区域的磁场

  后续的研究告诉我们,不只是太阳,许多天体都会有磁场,这被认为是20世纪天文的重要发现之一。磁场有个特性,即一定会南北极成对的出现,在太阳上也是。下图是国家天文台怀柔太阳观测基地利用塞曼效应所得的太阳磁图,图上黑白的区域对应的就是正负极性的黑子,成对出现,自然会让我们想到磁铁的南北极。

  太阳全日面磁图/国家天文台怀柔太阳观测基地的观测

  另外可以注意的是,这些正负极排列基本上是大致平行赤道,但同时呈现一定的倾角,这就给我们一些提示来思考黑子与磁场的产生机制。根据黑子的观测,我们可以判断,黑子应该是来自太阳内部的磁通量往外浮现。

  既然它来自内部,而它的结构基本上与赤道平行,这就暗示说有个像环一样的磁流管,从内部往上升到表面,两个足点对应着南北极。而根据我们对马蹄形磁铁的了解,它的磁场会从足部延伸到很远的区域,因此推测太阳的磁场应该也会延伸到表面外的区域。那就得针对太阳不同高度大气去观测,实际观测发现的确有这迹象,类似马蹄形磁铁的外延磁场。用X射线拍摄可以看到日冕的磁环,我们可以把它类比为日冕的“骨架”。

  观测到的日冕磁环类似于马蹄形磁铁外由铁屑构成的磁力线

  太阳活动区上方不同高度大气的观测

  /太阳极区的磁场

  如果把太阳表面的磁场在经圈方向做平均,再把不同时刻的数据连接在一起,就可以得到类似前述“蝴蝶图”的结果。从该图可以看出,极区也有磁场,也有大约11年的周期性变化,极区磁场是由黑子所在区域的磁场向极区漂移而产生的。

  太阳表面经圈方向平均的磁场在纬度方向的分布随时间的演化

  /日球层

  太阳磁场能延伸多远,这大致对应日球层的概念。其边界可理解为太阳磁场和星际磁场势均力敌的地方,尺度大约120 AU。太阳的磁赤道上下会有相反极性的磁场,这会产生延伸到整个日球层空间的电流片。在太阳自转带动下,产生如同芭蕾舞裙一样的结构。太阳的磁场就像地球的磁场保护地球减少受到外来高能粒子的影响一样,日球层的磁场也会屏蔽太阳系外的天体高能粒子进入。

  [AU是天文单位(Astronomical Unit)的简写,这是指太阳到地球的平均距离,通常用于表达太阳系或行星系统中的距离。120AU代表太阳到地球距离的120倍。]

  日球层的主要结构

  /磁场的作用

  太阳光球层的物质流动造成磁场的挤压、扭曲、拉伸、变形,这些过程会把动能转化成为磁能,当能量累积到一定程度,满足一定条件时就会产生耀斑或日冕抛射,释放巨大能量。因为磁场对高层大气加热,不同高度会对应不同的信息,下图横坐标是从光球层往外的不同高度,纵坐标则是对应温度,从中可看到一开始原本往外是缓慢下降,但在距离日面约2千公里的高度,温度从几万度迅速上升到百万度,什么原因造成的日冕高温,这是太阳物理一直在探索的重大科学问题之一。

  太阳大气的温度随高度的变化,急剧升温的地方是色球与日冕之间非常薄的过渡区

  太阳表面的逃逸速度大约是600 km/s,而在日冕高温下,会有一定比例的做无规则热运动的粒子的速度超过这一数值,而形成太阳风。美国太阳物理学家帕克(Eugene N。 Parker, 1927-)在1958通过流体静力学模型,从理论是预见太阳应该会有持续的物质往外流,等到1959年人造卫星升空观测,很快得到证实。这显示太阳是可以用理论去理解与预测,这也是空间科学的魅力所在。

  /黑子和太阳周的成因

  太阳的物质形态是等离子体,又因为它有磁场,因此称之为“磁化的等离子体”,当等离子体磁雷诺数足够大时,会产生“磁冻结”现象,简单的说就是随等离子体一起运动的任何封闭回路所围曲面的磁通量是不变的。磁场足够强时,磁场主导,这是能看到前述日冕磁环的原因;当流场足够强时,流场主导,磁力线像橡皮筋一样被流场拉伸、扭曲,进而动能转换为磁能。

  解释太阳磁场产生机制的理论我们称之为太阳发电机,与我们日常生活中所熟悉的产生电流的发电机既有相同也有不同之处。太阳发电机具体是指通过一定的运动(旋转、对流等),维持具有观测到的周期性变化特征的太阳磁场的磁流体力学过程。

  [等离子体:气体形态下,部份原子及原子团的电子被剥夺后的物质,宏观下仍保持电中性。这被视为固态、液态、气态之外的物质存在的第四态,太阳就是属于等离子体]

  此外,观测给我们的启发是,黑子应该来自太阳内部。我们通过恒星结构模型可以推测恒星内部结构,中心是氢聚变反应的区域,持续提供恒星发光发热的能量来源,称为核反应区。核反应产生的能量会以辐射和对流等方式持续向外输运,根据不同区域主导的能量传输方式的不同,人们把太阳内部分为辐射区和对流区。磁流管的存在会抑制能量传输,使得局部区域的温度偏低,相较于旁边温度较高的区域而言,这些地方就会显现较暗。

  黑子磁场的产生和由较差自转的作用而产生的环向场有关。太阳有连接南北极的极向磁场,在较差自转情况下,磁场会被扭曲拉伸,产生环向的磁场,这过程中因为磁冻结不断拉伸,有磁流管的局部地区磁场也会增强,造成磁压强在内部的会比外部小,如果里外温度一样的话,所对应内部的密度会比较低,因此会往上,浮现到太阳表面,形成太阳黑子。

  在较差自转的作用下,从极向场产生环向场的过程

  因为南北半球磁流管的方向相反,当它浮现时就可以看到前导-后随相反的情况。太阳有黑子所对应的环向磁场,也有连接南北半球的极向磁场,这两部分的磁场在一定的速度场作用下周期性的互相产生,就可以看到一个大约11年周期的变化。

  /不同年龄的太阳活动

  旋转的太阳持续产生太阳风,还会有间歇性的物质抛射,这些物质的丢失,在磁场的影响下,就会使太阳的角动量持续的损耗,产生“磁制动现象”,使得太阳在一百亿年的岁月中,旋转速度不断减小,这也连带会使磁活动或黑子有所变化。

  由于我们的观测相较于太阳的漫长寿命太短暂,因此这方面得参考其他跟太阳类似的低质量恒星的观测综合来看。研究发现磁活动的特征会随着年龄增大而减小,同时其旋转速度也会降低。越年轻的太阳/恒星,其旋转会比较快,同时黑子面积所占的恒星表面面积可能越大,日冕等磁活动也会越剧烈。虽然我们不能直接看到恒星的黑子的详细情况,但是通过恒星表面的黑子对亮度的影响,知道黑子或磁活动的情况。下图显示的就是叶永烜老师和他学生对不同光谱型的恒星的光度变化、耀斑能量的研究结果,对于不同恒星、黑子尺度与耀斑能量都不尽相同,但这些黑子活动是普遍存在的。

  不同类型恒星(红色质量最低,再次依序为绿色、蓝色)的耀斑能量,可见其差异(Lin, Ip et al。, 2019)

  /结语

  渺小的人类对偌大的宇宙探索,常会问:我们在宇宙中是否孤独?我们会希望找到跟地球一样的地方,跟太阳一样的恒星。虽然目前还没找到,就算找到也不一定能过去。然而爱因斯坦曾说:这个世界最不可理解的事情是这个世界是可以被理解的。这话鼓舞着我们,希望通过物理、通过空间科学的相关知识,可以认识不同的天体、认识我们的宇宙。

  这里借由介绍太阳黑子的相关研究,让我们看到不同的学者在各自的时代中做出贡献,一代代人不断积累知识,再去创造新的知识,恰巧对应着横渠四句教的其中两句:为往圣继绝学,为万世开太平。我们在继承前人的自然科学知识的基础上发展自己的知识,探索宇宙。

  / 问答部分

  1)山海经的“黑子大如钱”,这是多大?

  答:这问到了中国古代文献的核心问题,虽然有持续的记载,但很难被国际同行接受的原因在于这些记载相对定性,没有量化。我们虽可通过模拟、实验来估计,但很难给出个准确的数值。

  2)(蒙德)极小期会不会再发生?

  答:太阳周的产生过程涉及到随机性机制,因此未来应该还会发生,但很难预测到来的时间。

  3)古代人怎么观测太阳黑子?

  答:伽利略时代是通过投射到纸上来将其绘制出来,这种做法延续到现在。望远镜发明以前只能通过肉眼在清晨或傍晚时去观察。

  4)大质量恒星的外层是辐射层,那黑子表面温度是怎么变低的呢?

  答:我们目前研究集中在光谱类型在F型之后的,也就是外层是对流层的低质量恒星。对于更大质量的恒星,由于结构条件跟太阳不一样,虽有共识它们仍有磁场,但许多细节仍不确定,有待深入研究。

  5)将来中国首次发射的太阳卫星“先进天基太阳天文台”(ASO-S),有什么载荷?

  答:这颗卫星有三个载荷,分别是:全日面矢量磁像仪(FMG)、莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)、太阳硬X射线成像仪(HXI)。

  6)第25个太阳周会不会有很多太阳活动?

  答:这涉及到太阳活动的预报,目前有很多预报模型,预报结果有强有弱,现在主流观念认为25太阳周比前一周相对强一点。

  主讲 / 姜杰

  撰稿 / 范贤娟

  编辑 / 恩丽娟

  ©国际空间科学研究所-北京(ISSI-BJ)

  本文整理自《天芳夜潭》系列讲座演讲内容,该讲座由国际空间科学研究所-北京(ISSI-BJ)主办,邀请杰出女性科学家演讲,欢迎各位关注。

原标题:山海经中的日金乌负日与太阳黑子

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