我们的太阳其实只是看起来宁静,而实际上却时时刻刻都存在着各种剧烈活动,太阳黑子就是一种最为常见的活动现象。中国是世界上公认最早观测记录太阳黑子的国家。《汉书·五行志》对公元前28年的大黑子有着详细记载:“汉成帝河平元年三月乙未,日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。这一记载不但表明了黑子出现的日期,而且说明了黑子的大小、形状和位置。
1.太阳黑子的结构
太阳黑子特写,注意其中深黑色的就是本影,周围淡黑色的纤维状结构即为半影
太阳黑子是经常出现在日面光球层的暗黑斑点,是典型的太阳活动现象的表现。发展完全的黑子通常是由较黑的“本影”核和周围较本影亮的“半影”组成。黑子显得黑,实际上并非绝对的黑,从黑子光谱分析得出,黑子的温度比明亮的光球温度低15000C左右,磁场强度可达三四千高斯。。
太阳黑子经常成群出现,其大小很不相同,有的小到刚刚可以看到,有的却比地球大上十余倍。大黑子群通常是由几十个大小不等的黑子组成,黑子越大,寿命越长。
【小知识】
太阳黑子的磁场 按太阳自转的方向,对成群出现的黑子,西面的称为前导黑子,东面的称为后随黑子。它们的磁场正好相反,一个为南极(S极),另一个就为北极(N极)。南北半球的前导黑子的极性正好相反。
2.太阳黑子的投影观测
由于太阳光十分强烈,因此绝对不可以直接通过望远镜的目镜去看太阳!要观测太阳黑子,除使用专业的太阳滤光片之外,通常还可以采用投影观测的方法。
在望远镜目镜的后面安装一块投影板,并在投影板上放上太阳黑子记录纸,让通过望远镜的太阳光在投影板上成像,调节焦距,使日面边缘轮廓清晰。
在望远镜不跟踪的条件下,进行东西线校准,使图纸上的东西线与太阳黑子的视运动方向平行,在量度太阳黑子的日面经度和纬度时,它是基本参考线。
描画太阳黑子图。
然后让望远镜跟踪太阳,观测者用铅笔把太阳黑子在记录纸上的位置、形状和数目按本影和半影仔细地描绘下来,不可忽略或遗漏微小的黑子。描绘黑子图时务必求真求实。记录做好后,再记录黑子的个数和群数,它所在太阳表面的经纬度,以及观测时间、天气状况、地球大气的清晰度和记录者等,这样才算是较完整的记录了太阳黑子观测过程。通常使用的标准太阳黑子记录纸上太阳圆盘的直径大小为17.4公分。
[注意] 太阳光经过望远镜聚焦后,就如同光经过放大镜一样,聚焦点产生高热,可致物体燃烧或使人眼失明。因此在太阳黑子投影观测中,绝对不可以用眼睛直接从望远镜观测太阳!
3.太阳黑子的照相观测
拍摄太阳光球像,常用两种办法。一种办法是用专门拍摄太阳像的太阳照相仪,直接拍摄物镜焦面处的光球像;另一种办法是拍摄投影光球像。拍摄时为减弱太阳光,在物镜前应加光阑和加中性滤光片或黄色滤光片,光阑直径以不超过物镜口径的十分之三为好。底片选择灵敏度不高、感光乳胶颗粒细的底片为宜。一般露光时间选在1/100秒至1/500秒之间,一般采用二次放大拍摄法及可获得良好的太阳黑子照片。
太阳照相仪
太阳黑子目视观测比较适用于确定黑子数,而照相法则可以记录下更多的细节,由它所确定的黑子面积也较目视描图所测定的面积更为准确。因为光球表面上有临边昏暗、米粒组织、光斑、黑子,黑子又有精细结构,彼此之间温度互有差异,所以要在同一照片上使上述各现象都呈清晰状态,是一个比较具有挑战性的工作。
4.太阳黑子群的分类
长期观测太阳黑子,会发现黑子有时单个出现,有时成双成对出现,甚至有时成群地出现。太阳黑子的出现有时多,有时少,而且形状、大小也不一样。按照黑子的形状大小,由简单到复杂的变化,现在各国常使用苏黎世分类法,根据黑子群诞生以后的发展形态,可将黑子群按大小和复杂程度来分类。A表示最小的单个黑子或小黑子群;F为最大和最复杂的黑子群。这种分类法描写了大多数黑子群的历史,它们开始是A型黑子,发展成最大的E或F型,最后作为J型而结束。每一种类型的黑子给出4个例子,下面的尺度表示太阳经度。
苏黎世太阳黑子群分类
[知识拓展]
苏黎世太阳黑子分类法 由瑞士苏黎世天文台瓦尔德内尔于1938年提出的。他按黑子群的发展过程将其分为9个类型,用大写拉丁字母表示:
A无半影的黑子或单极小黑子群;
B无半影的双极黑子群;
C类似B的双极群,但其中有1个主要黑子有半影;
D双极群,2个主要黑子都有半影,其中有1个黑子是简单结构。东西方向延伸小于10°;
E大的双极群,结构复杂,2个主要黑子都有半影。东西方向延伸不小于10°;
F很大的双极群或很复杂的黑子群。东西方向延伸不小于15°;
G大的双极群,只有几个较大的黑子,而没有小黑子,东西延伸不小于10°。
H有半影的单极黑子或黑子群,有时也具有复杂结构,直径大于2°.5;
J有半影的单极黑子或黑子群,直径小于2°.5。
[知识拓展]
太阳黑子相对数: 用于表示太阳黑子活动程度的一种指数。由瑞士苏黎世天文台的沃尔夫于1849年提出,其定义为:R=K(10g+f),式中R为黑子相对数,g为日面上观测到的黑子群数目,f为观测到的单个黑子的总数,K为转换因子,因观测地点、条件、仪器而不同,规定以苏黎世天文台的观测值为1,其它观测地点需以实际观测到的(10g+f)与苏黎世天文台发布的数值做比较后得到该地的转换因子。
5.从太阳黑子的运动看太阳自转
在实际观测中我们会发现,连续几天观测同一个黑子群时,它每天在日面上的位置不同,并且可以明显地看出它是由东向西(在地球上看)移动着,而且纬度越高移动越慢。这是太阳较差自转所造成的。除此之外,太阳黑子自己相对于光球背景也有缓慢的运动和结构形态的变化。
从逐日拍摄的日面照片可以看到太阳黑子在日面上的运动
[知识拓展]
日面坐标 太阳日面上的位置常用日面经度L和日面纬度φ来表示。日面纬度由赤道量起,向北为正,用“N”或“+”表示,向南为负,用“S”或“-”表示。日面经度由格林尼治天文台1854年规定的本初子午圈量起,向西计量,由0°~360°。
6.太阳黑子周期——美丽的蝴蝶图
分析长期的太阳黑子观测资料,发现有的年份每天出现的黑子数比较多,有的年份则比较少,统计表明太阳黑子相对数的年平均值有一个周期性的变化,11年左右为一个周期,称为太阳黑子周。附图绘出了从1900年至2002年的太阳黑子相对数年平均值的变化情况。
太阳黑子相对数年度平均值随年份的变化
太阳黑子在11年的周期变化中,除了数量的改变,还有纬度分布的变化。太阳黑子周期在开始时,通常出现在高纬度(40~50度)之间,随着数量的增加,黑子出现处的纬度逐渐向太阳赤道接近,当在11年周期即将结束时,太阳黑子通常出现在赤道附近,而且数量稀少。当太阳黑子又出现在高纬度时,就意味着新一轮的太阳周开始了。如果把日面纬度作为纵坐标,以时间作为横坐标,将黑子画到图上,我们就得到一幅美丽的“蝴蝶”形图。尽管太阳黑子是一个古老的话题,但它的奥妙到现在还远没有认识清楚。
反映太阳黑子活动规律的蝴蝶图
太阳活动周期的发现至今已有一个半世纪的历史。值得一提的是,它的发现者不是职业天文学家,而是英国的天文爱好者卡林顿。