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有趣的太阳黑子

(2013-10-10 15:41:03)
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教育

太阳黑子具有如下4个有趣的效应。

1.中日效应

太阳黑子在日面的活动,在纬度方面表现出明显的规律性,比如著名的蝴蝶图,而在经度方面趋势相对微弱。1907年Maunder提出黑子面积存在不明显的东西半球不对称性,1990年Heras 发现东西半球太阳活动不对称性与太阳活动负相关。

我发现的中日效应是指,太阳黑子或黑子群存在概率最高的地方是日面中央,即日面中经度为零的区域,且黑子群数量从日面中央向左右(或东西)两侧,呈对称性递减。

需要注意的是,这里的日面中经度也称中经距,其0度线为日心和地心连线所在的日面中央子午线,0度则是指大于等于-0.5度、小于0.5度的范围。通常日面经度指的是卡林顿经度,标记太阳表面固定参照系中的某位置,而日面中经度则是相对参照系中的动态位置。显然,日面中经度0度区域总是朝向地球。

根据美国国家航空航天局(NASA)整理自格林威治皇家天文台(RGO)、美国空军(USAF)、美国国家海洋和大气局NOAA等机构的太阳黑子群数据(http://solarscience.msfc.nasa.gov/greenwch.shtml),统计1874年5月到2013年9月的太阳黑子群数量的日面中经度分布,如图1所示。横坐标是日面中经度(四舍五入取整),纵坐标为某经度区域的黑子群数。一组黑子群存在多少天就被统计多少次。

 有趣的太阳黑子
图1 太阳黑子群数的日面中经度分布(1874-2013)

其中黑子群数最高的地方在中央(即0度附近),日面中经度0度的黑子群数为1799个,-1度的黑子群数为1654个,1度的黑子群数为1658个。到-60度的时候,黑子群数减为1345个,相应地,60度时的黑子群数为1325个。由于观测角度的原因,90度附近的数据误差较大,但是黑子群数远小于0度区域,则是不争的事实。

如果将时间范围调整为任意连续的50年、20年、10年、5年甚至1年,这种趋势仍然成立。时间跨度越长,黑子总数越多,越接近太阳黑子极大期,该趋势就越明显。

如果太阳黑子纯粹是太阳表面的某种能量活动,完全被太阳自身的某种因素所决定,那么太阳黑子群的位置,要么是杂乱无章的随机分布,要么是被太阳自身某种因素决定的规律分布。为什么太阳黑子群出现概率最高的对方恰好是而且一直是日心与地心正对的区域呢?

有趣的太阳黑子
图2 太阳黑子群面积的日面中经度分布(1874-2013)

将纵坐标的太阳黑子群数改变为太阳黑子群面积,如图2所示。图中纵坐标的单位是太阳半球表面积的百万分之一。图2和图1非常接近,表明太阳黑子群数和面积的日面中经度分布具有一致性。

中日效应意味着,太阳黑子群的分布不完全是由太阳决定的,还与地球的空间位置有关。地球在公转轨道上围绕太阳不停运动着,而太阳黑子现频率最高的区域和面积最大的区域,总是朝向地球。

2.左日效应

初生黑子是我定义的一个概念,意思是第一次被观测到的黑子或黑子群。在太阳黑子观测记录中,每一个太阳黑子或黑子群首次被赋予编号的当日,即为该黑子或黑子群的初生,以后的日期不算。

左日效应是指,初生黑子的出现概率,日面左侧远远大于右侧,尤其是日面中经度-76度处有一个非常陡峭的极值峰。从日面看,中央子午线的左边就是东,因此也可以成为东日效应。

有趣的太阳黑子
图3 初生黑子群数的日面中经度分布(1874-2013)

如图3所示,峰值在日面中经度-76度,初生黑子数为947个。相对地,76度的初生黑子数为41个,只有峰值的4.3%。当然这不是最低的,在日面中经度大于85度的区域(右侧),只有零星几个初生黑子。

极值峰左半部分(-90度到-76度)急剧升高的趋势线斜率为74.8,略大于右半部分(-76度到-59度)急剧衰减的趋势线斜率43.5。从-59度开始,图像仍然保持着递减趋势,但是平缓了很多,剩余部分(-59度到85度)的趋势线斜率只有1. 6。

跟中日效应一样,如果将时间范围调整为任意连续的50年、20年、10年、5年乃至1年,这种趋势仍然成立。时间越长,黑子总数越多,越接近太阳黑子极大期,趋势就越明显。

太阳赤道处的自转角速度约14度/天,如果从-90度开始计算,扣除这14度的影响,正好是-76度,也就是说,只有-90度到-76度之间的新生黑子有可能是太阳“背面”产生的。从-76到-63度仍然处于极值峰区域。这个极值峰的存在,以及从左到右整体递减趋势,是传统理论难以解释的。

中日效应是全体黑子群的存量特征,左日效应体现了新增黑子群的流量特征。中日效应表明,日心和地心连线所在的位置,黑子群整体存在的概率最高。左日效应表明,从地球观测者的角度看,日心和地心连线的左侧,新增黑子群的概率远高于右侧。越往左就越高,直到-76度才反向急剧衰减。

如果地球和太阳中间存在另一颗星体,分别运动到日心与地心连线的左侧和右侧,太阳黑子的数量会因此发生变化吗?

我们自然联想到月球。由于月球的轨道接近黄道,那么阴历初一为朔,月球处于地球和太阳之间,阴历十五或十六为望,地球位于太阳和月球之间。考虑到月球公转方向、地球公转方向与太阳自转方向相同,太阳自转速度大于地球公转速度,可知,阴历初一到十五期间,月球在日心和地心连线的左侧。

那么,设月球为地球的干扰星体,以阴历时间为横坐标,以日均黑子数为纵坐标轴,得到图4,其中红色粗直线为该时间段的总日平均黑子数。

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图 4  日均太阳黑子数的阴历分布(1849-2012)

可见,日均太阳黑子数的阴历分布图像也符合左日效应。即,月球相对于太阳在地球观测者左侧时,太阳黑子数明显高于右侧。

图4大致分为两个区域,先左侧从初一到十五,再右侧从十五到三十,两个区域的黑子数量变化趋势基本相同,而且左侧整体高于右侧。

同理,设泰坦(土卫六)为土星的干扰星体,以泰坦最接近太阳的位置为“初一”,最远离太阳的位置在第八天左右,结果如图5所示,其中红色粗直线为该时间段的总日平均黑子数。图5跟图4具有一致性,土卫六也印证了左日效应。

有趣的太阳黑子
图5  日均太阳黑子数的泰坦(土卫六)“阴历”分布(1849-2012)

左日效应意味着,太阳黑子的产生,与太阳系内星体的相对位置和运动方向有关。不管地球还是土星,干扰星体运动到行星与太阳连线的前后(即左右),对太阳黑子的影响是不同的(左侧大于右侧)。

3.远日效应

远日效应是指,太阳系内的大多数星体,包括行星、卫星以及较大体积的短周期彗星,处于远日点区域时,太阳黑子的数量多于它们的近日点区域。

最显著的例证是土星。图6是土星轨道日心黄经坐标系中,每度日均太阳黑子数分布图,近日点的日心黄经(约93度)为起点和终点,中间就是远日点(约273度)。时间跨度1849年到2012年。其中红色粗直线为该时间段的总日平均黑子数。

图像明显存在三个峰,中间段远日点对应的峰最高,从近日点到远日点,再从远日点回到近日点的过程中,分别存在两个次级峰。

如果将土星轨道周期简化为3部分,从近日点起,每120度为一单位,分别统计各单位的日均黑子数,得到图7,趋势一目了然。

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图 6 日均太阳黑子数的土星日心黄经分布(1849-2012)

太阳系八大行星中,海王星轨道数据目前不足一个完整周期(1849-2012),从有限的数据来看,远日点区域的峰值仍然最高。水星、金星、地球、火星和土星,数据(1849-2012)如图8所示,均满足远日效应。

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图7  土星黄经120度平均日均太阳黑子数(1849-2012)

只有天王星的数据(1900-2012)背离了远日效应。远日点区域不是高峰是低谷。其原因可能在于,天王星具有独特的高转轴倾角(97.77度)。

我选择了几颗体积较大的短周期彗星,哈雷彗星(1P)(彗星中振幅最大)、恩克彗星(2P)、紫金山2号彗星(60P)和林尼尔彗星(176P),分别统计了相关数据,时间跨度为1900年到2001年,结果都表现出了远日效应。

远日效应意味着,太阳黑子与各星体与太阳的距离有关,或者说与各星体在太阳表面的投影有关。距离越远,投影越小,太阳黑子越多。

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图8  太阳系行星和部分彗星的轨道黄经120度平均日均黑子数

四大行星中,远日效应振幅最大的是土星和海王星,这两颗星体同时到达远日点时,远日效应叠加,导致强烈的太阳黑子活动。

海王星最近一次过远日点的时间是1959年7月13日,同年5月27日,土星也经过远日点。而1959年及其前后两年的平滑太阳黑子数分别为1957年的190.2个、1958年的184.8个、1959年的159个、1960年的112.3个、1961年的53.9个。

其中1957年、1958年和1959是有太阳黑子记录以来,太阳活动最强烈的时期。土星、海王星各自远日点分别与太阳做连线,1957年和1958年恰恰是土星和海王星分别在其远日点连线的左侧。即,太阳活动最强烈的年份,同时满足远日效应和左日效应。

4.重日效应

重日效应是指,任意两颗星体与太阳成三点一线(冲或合)时,太阳黑子变化异常(通常是剧烈增加)。

太阳系八大行星中,重日效应显著的是木星和土星。因为这两颗行星的体积相对大,公转周期适中。水星和金星等行星体积小,周期短,重日效应不够明显,容易被其他效应所淹没。如表1所示。 

行星

日均黑子数

正合/冲比平均

前1度

正合/冲

后1度

总日平均

木星合土星

72.08

69.62

67.65

55.07

1.26

木星冲土星

67.68

70.15

58.73

55.07

1.27

木星合天王星

46.87

44.23

36.56

59.13

0.75

木星合海王星

59.30

59.05

55.18

55.07

1.07

土星合天王星

64.55

86.26

73.51

59.13

1.46

土星合海王星

98.34

86.97

90.08

55.07

1.58

天王星合海王星

50.21

77.92

76.18

59.13

1.32

表 1巨行星之间的重日效应

表1中的正合,指的是两颗行星的日心黄经差为0度(向下取整,下同)的区域,前1度为经差359度的区域,后1度为经差1度的区域。同理,正冲指经差180度的区域,前1度为经差179度的区域,后1度为经差181度的区域。总日平均数指的是该时间段的总日平均值,在1849年到2012年之间,总平均数值为55.07个,在1900年到2012年之间,总平均数值为59.13个。

地球与四颗巨行星之间相合的结果如表2所示,数据表明,只有天王星表现异常,其他行星合地球时都出现重日效应,当然剧烈程度不如巨行星之间的合。 

行星

日均黑子数

正合比平均

前1度

正合/冲

后1度

总日平均

地球合木星

57.63

57.04

54.60

55.07

1.04

地球合土星

53.82

56.91

55.78

55.07

1.03

地球合天王星

62.43

58.99

60.48

59.13

0.998

地球合海王星

55.98

59.21

56.87

55.07

1.08

表 2 地球与巨行星的重日效应

构成重日效应的星体,不只各大行星,还包括太阳系外的共面恒星。所谓共面恒星,是指在日心黄道坐标系中,与某行星的黄纬坐标相同或极其接近的恒星。

共面恒星的半径越大,能量越高(体现在温度越高),距离太阳系越近,影响力就越大。由于太阳系八大行星的轨道平面均接近黄道面,虽然不同的行星各有各的共面恒星,但是一颗共面恒星可能影响多个行星。

本文只讨论众多共面恒星中的一颗,狮子座的轩辕十四(HIP49669),其日心黄经(J2000)为9h59m19s,日心黄纬为+0° 27' 54"。 

行星

日均黑子数

正合比平均

前1度

正合

后1度

总日平均

火星

59.78

59.82

61.04

59.13

1.01

木星

80.58

66.28

68.82

55.07

1.20

土星

73.03

67.15

65.16

55.07

1.22

天王星

50.10

38.23

32.65

59.13

0.65

海王星

84.65

65.60

60.38

55.07

1.19

 表 3行星合轩辕十四的重日效应

如表3所示,除了特例天王星以外,轩辕十四与巨行星木星、土星和海王星的相合,均表现出重日效应,而且数据都非常接近。同时,与火星也表现出一定的重日效应,但是不如巨行星显著。

跟远日效应类似地,只有天王星的重日效应表现异常,我判断与天王星独特的转轴倾角有关。天王星在远日效应和重日效应中同时表现出异常,不仅没有否定这两个效应,反而可能成为太阳黑子新理论成立的佐证。

重日效应意味着,太阳黑子的成因,不但与太阳系内星体的相互位置关系形成共振,还与太阳系外遥远的恒星密切相关。

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