為什麼太陽活動是11年周期?太陽運動終於揭示了黑子的內部運作!

2021-01-09 騰訊網

太陽活動遵循11年的周期,在一個太陽周期的過程中,太陽的磁力活動來來去去。在太陽活動高峰期,太陽表面會出現大的太陽黑子和活動區。壯觀的熱等離子體環路貫穿太陽大氣層,噴發的粒子和輻射射入星際空間。在太陽活動最小的時候,太陽會相當平靜。所謂的蝴蝶圖中出現了驚人的規律性,它描述了太陽黑子在時間-緯度圖中的位置,在太陽周期開始時,太陽黑子在中緯度出現。

隨著周期的推進,它們會越來越接近赤道。為了解釋這張「蝴蝶圖」,太陽物理學家懷疑深磁場是被大範圍氣流帶向赤道的。新研究的第一作者、馬克斯·普朗克學會主任Laurent Gizon教授說:在一個太陽周期的過程中,經向流起了傳送帶的作用,它拖著磁場前進,並設定太陽周期的周期。觀察太陽內部的幾何形狀和運動幅度對於理解太陽磁場必不可少,為此,研究團隊利用日震學繪製了太陽表面下的等離子體流圖。

日震學之於太陽物理學就像地震學之於地球物理學,日震學家使用聲波探測太陽內部,與地球物理學家使用地震探測地球內部的方式非常相似。太陽聲波的周期接近5分鐘,由近地表對流持續激發。與太陽聲波相關的運動可以通過宇宙飛船上或地面上的望遠鏡在太陽表面進行測量。在這項研究中,研究團隊使用了對表面聲波的觀測,這些聲波在太陽內部以南北方向傳播。

這些波受到經向氣流的擾動:它們沿流傳播的速度比逆流傳播的速度快。這些非常小的旅行時間擾動(不到1秒)被非常仔細地測量,並被解釋為使用數學建模和計算機來推斷經向流。因為它很小,所以在太陽內部很難看到經向流。經向流動比其他運動成分慢得多,比如太陽的差動旋轉,整個對流區的經向氣流不超過太陽表面最大值每小時50公裡。為了降低日震測量中的噪音水平,有必要在很長一段時間內對測量結果進行平均。

22年的環路時間

科學家首次分析了兩個獨立的超長時間序列數據,其中一個是由SOHO提供。這是太空中最古老的太陽天文臺,由歐空局和NASA運營,SOHO的麥可遜都卜勒成像儀(MDI)採集數據涵蓋了從1996年到2011年,第二個獨立的數據集是由全球振蕩網絡集團(GONG)提供,結合了美國、澳大利亞、印度、西班牙和智利的六臺地面太陽望遠鏡,自1995年以來提供了幾乎連續的太陽觀測。

國際太陽物理界提供了涵蓋過去兩個太陽周期的多個數據集,這是值得稱讚的。這使得在很長一段時間內進行平均和比較答案成為可能,這對於驗證推論是絕對必要的。研究團隊發現,對流區底部氣流是向赤道方向流動的,速度只有每小時15公裡(運行速度)。太陽表面氣流是向極地流動的,最高可達每小時50公裡。總體情況是,等離子體在每個半球都繞著一個巨大的環路運行。

值得注意的是,等離子體完成環路所需的時間約為22年,這為太陽的11年周期提供了物理解釋。此外,正如蝴蝶圖所示,太陽黑子隨著太陽周期的推進而出現在更靠近赤道的地方。總而言之,研究支持這樣一個基本觀點,即太陽黑子出現的位置,向赤道漂移是由於潛在的經向流動。為什麼太陽經向流看起來是這樣的,以及經向流在控制其他恆星上的磁場活動方面起到了什麼作用,這還有待理解。

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