太阳较差自转及黑子等活动成因的解释与论证
标签:
太阳较差自转黑子日冕太阳核聚变区密度倒转 |
赵菊初
(山西大同第一号信箱
摘要
关键词
Explanation and Elaboration on Causes of Differential Rotation, Sunspot and Other Solar Activities
ZHAO JU CHU
(Shanxi Datong P.O Box 1, 037036,China)
Abstract After giving a brief introduction and review of the studies on differential rotation, sunspot and other solar activities, the paper starts from analyzing and calculating the forces exerted on high-temperature plasma gas in the nuclear fusion area in the central part of the sun. Besides, the paper indicates that density reversal phenomenon may emerge in this area during certain period. As a result, there is a trend of upward convection with the help of buoyancy. Then, the paper proves that the convection will inevitably appear at the sun’s polar areas initially with the quantitative calculation methods of hydromechanics and thermodynamics. With the proceeding of upward convection, the temperature in the nuclear fusion area will gradually decline, accompanied with the disappearance of the density reversal phenomenon. Then the nuclear fusion area reenters the calescence stage until the next appearance of density reversal phenomenon and the re-outbreak of upward convection. Such a repetition results in about 11-year cyclic solar activities. In addition, besides proving that the convection transports a large amount of thermal energy on the surface of the sun, the paper also puts forward that it will reduce the spin velocity of the surface substances in the polar areas. Furthermore, high-speed air jet phenomenon may occur inits central part. Finally, the paper analyzes and calculates the process and pattern of shifting to the equator of a large amount of gas which transcend to the polar areas under the motive of gravity. Then, the paper explains the formation mechanism of differential rotation and sunspot. Additionally, according to air jet phenomenon in the polar areas, the paper explains the energy source which maintains the solar corona’s high temperature and the mechanism of the sun’s cyclic reversal of magnetic field.
Key Words: differential rotation; sunspot; nuclear fusion area; radiation layer; troposphere
所谓太阳较差自转,就是其纬度愈低自转速度愈快的现象。这时其内部必将产生径向角速度梯度及内摩擦作用,而要维持这种状态,内部必然会产生角动量及能量的交换。这一观点现在已基本达成共识,但对其机理仍停留在温度差引起热对流这一较笼统解释的水平上。
http://s5/mw690/002N2r44zy6Z238F4fGb4&690
都是从辐射层传出来的,但有很多证据说明这种观点是不能成立的。因这是关系到核聚变区能否产生密度倒转至关重要的的问题,故需要在下面进行深入的探讨。
根据辐射传热理论,从核聚变区向太阳表层单位面积传送的净辐射能(热通量) q可按以下简化公式来近似估算:
http://s15/mw690/002N2r44zy6Z238Eo1w9e&690式中
α:辐射层的透明系数;
C0:绝对黑体的辐射系数,根据有关资料近似取;
ε1,ε2:分别为核聚变区及太阳表层物质的黑度;
T1:核聚变区的绝对温度(K);
T2:太阳表层的绝对温度(K)。
已知太阳辐射使地球大气顶部单位面积上获得的功率(即太阳常数)为1367W/m2;根据辐射强度与距离平方成反比的定律,以及日地距离及太阳半径可容易算出,太阳表面的辐射热通量为6.28×107W/m2;它只可能来自太阳核聚变区,故应等于(5)式中的q值。已知太阳核聚变区的温度约为1.5×107K,表面温度约为6000K;C0约为5.7W/(m2·K)。但对于太阳核聚变区及其表面物质的黑度,不仅无法算出也无法查到,故只得进行以下推测来确定。据笔者观察和推测,气体的黑度一般应随其密度的降低而减小;否则从(5)式可以看出,温度高达100多万摄氏度的日冕层,如果不是黑度极小的话,其热能一定会在瞬间向外太空辐射殆尽;之所以未出现这种情况,反过来只能用它的黑度极小来解释;我们看不见日冕层却能看到耀眼的温度低得多的光球层,也可说明这一道理。因此可以推测,太阳核聚变区的密度比铁还高得多,其黑度也应该较大;故保守一点取二者的黑度均为0.001(这已接近常见的一切物质黑度的下限值)。将上列数据代入(5)式可解得α=4.38×10-10。由此可见,从核聚变区辐射出的能量最多只有1亿分之1到达太阳表面,其余能量都被辐射层吸收了。现在广泛流行一种观点认为:“光子从太阳中心到达太阳表面要花一百多万年。光子从太阳中心出发后先要经过辐射带,沿途在与原子微粒的碰撞丢失能量。”果真如此的话,也说明辐射层吸收了大量热能;那就要出现一个疑问,即辐射层吸收的这种能量最后到那里去了;如果没有去处其温度必然不断增高,最后只会形成密度倒转而通过上下对流将热量传出辐射层,别无他法。
以上的计算虽可能有较大误差,但所阐明的道理却是真实可信的;这可用以下实例来作进一步佐证。我们知道,由于地球大气透明度较好,所以温暖的阳光能普照大地;由于海水的透明度比大气差得多,所以阳光只能加热几百米以内的表层海水,在更深处水温迅速降低且一片黑暗。这证明透明度愈低的介质的确吸收的辐射能愈多,辐射线通过的距离就愈短。已知太阳核聚变区物质的密度达150g/cm3,其周围附近的辐射层的物质密度至少比海水大100倍,所以计算的透明系数极低也是较为可信的,从而说明在核聚变区形成密度倒转是完全可能的。
1.3
因此,对太阳两极物质向上流动过程可作如下描述与解释。
图2 所示为太阳子午面的一个剖面;其中心为核聚变区;外部为对流层;中部的两个扇形部分为辐射层。两侧双点画线之间的圆锥区域是本文设想的物质上升对流区;各种物质流动路径及方向,请参看图中引出说明。以下根据上节的分析与计算,来推演各部分物质对流及迁移的情况和规律。
http://s7/bmiddle/002N2r44zy6Z238F7ZIe6&690
我们知道,太阳主要是由氢的高温等离子体组成;但在参考文献[2]中的计算表明,对于地球大气顶部的电离层,其粘度达1.62×105Pa·s,竟比常压下的沥青粘度还高得多。该粘度值是按麦克斯韦从纯理论基础上推导出来的公式算出的;该公式为后来的实验所证实,并被誉为分子运动理论的光辉成就之一,所以我们无法怀疑它的正确性。因此,上述科研人员发现太阳的等离子体运动速度之所以远低于之前的预计值,可能就是原来对太阳物质粘度估计过低造成的。
故可以认为,在图2所示的对流上升区,物质的平均流动是较缓慢的。计算已证明,在管道中的层流速度是按抛物线规律分布的,即靠近管壁的流速为零,中心速度达最大值。但太阳对流上升区的情况与管道中液体的流动有很大差别;在管道中驱动流体流动的压差力基本是沿断面均匀分布的;而在太阳对流上升区的驱动力是物质所受浮力,由于以下原因,其分布规律大不相同。
太阳对流上升区的轴部物质,也应与管道流体一样上升速度达最大值;因此,它到达太阳表面所经历的时间最短;加之,它与周围一同流动的物质温差较小,所以其散热损失少,温度会明显高于外围物质;因气体密度与其绝对温度成反比,故其密度也必然比较低,所受浮力则比较大,这反过来又将增大上升速度,从而形成正反馈循环。对于外围物质情况则相反;因其上升速度慢,经历时间长,与邻近物质温差大,使其温度较低,密度较大,上升速度慢;从而形成负反馈循环,使它与轴部物质的上升速度差急剧增大。因此,其速度分布将如图2 的曲线1所示,更接近高斯曲线。对外围流动速度较慢的物质流,以下简称“两极喷流”,对中心喷速度特高的物质流以下简称“两极喷射”。
在上述正、负反馈循环的影响下,上升区的温度分布将如图2 的曲线2所示,其轴部温度梯度将急剧增大,因此有可能使该处极高温度的气体沿着图2引出说明“高温物质喷发路径”所指路径喷出太阳表面而成为两极喷射。
观测已发现,存在于对流层中的黑子群都不断向赤道方向移动,这证明对流层物质也一定具有与此相同的流动;但若找不到这种流动的源头,它就将成为无源之水。而上述两极喷流正好可为之提供源头,这也是它存在的旁证。
1.3
根据以上的分析可知,当核聚变区物质产生两极喷流时,会将大量物质及热能带到两极表面,并使两极海拔升高;它所储存的热能及引力势能及两极喷射产生的能量,足以提供太阳各种活动所需的能源。现在流行的观点认为,太阳各种活动的能量都是磁场活动提供的;但至今仍未找到磁场的能量来自哪里,故也成了无源之水,因而是不可信的。
2.
1961年美国天体物理学家布朗斯和迪克,根据太阳自转离心力算出其赤道直径比两极直径约大60km,即扁率为4.5×10-5;当时还被观测结果所证实。但后来的多次观测结果都比计算值小得多,最后发现太阳的扁率是不断变化的。这与上述两极喷流的设想是相符的,但是否也具有11年的变化周期,还有待进一步观测来证实。若能得到证实就可为上述观点提供又一有力的证据。
如图2所示的对流上升区中,若假设物质上升时的角动量不变,物质从起始直径为d上升到太阳表面时,因压力降低及体积膨胀,直径D将急剧增大;这样计算出在两极区域的自转角速度将远小于现在的观测值。之所以出现这种计算结果,是由于假设角动量不变不符合实际情况。因为这种上升的流体周围是作等角速旋转且粘度极大的等离子体,所以当上升的流体角速度变慢时,周围粘度极大的等离子体就会产生很大的粘滞阻力向其输入角动量来阻止它变慢;从而可解释这样引起的太阳两极自转角速度减慢程度为什么并不太大。
观测发现,太阳表面存在子午环流,即物质从赤道流向两极的物质流。我们知道,地球上的信风之所以从副热带流向赤道,是在二者由温度差所产生的气压差驱动下形成的;按前面的计算,太阳两极上空的温度比赤道地区要高2.6~16倍左右,这与地球上的情况正好相反,故在一定层位上,赤道气压会高于两极,从而驱使气体从赤道流向两极,这便可以解释子午环流的成因。子午环流的厚度约为对流层厚度的6分之1;如果按现有观测资料来估算,其流速为对流层平均速度的3倍左右,若按最新观测值来估算,则仅为对流层平均速度的33分之1;其密度又远小于对流层的平均密度。由此可见,子午环流只是伴随对流层活动发生的一种极微小的次生现象,不可能对较差自转的形成产生明显影响。
3.
鉴于有各种迹象表明,黑子活动与地球上的台风的有很多相似之处,故以下先介绍台风形成条件及外在表现的有关情况,然后再叙述黑子是否具有类似的形成条件及外在表现,最后再分析其形成机理。
3.1
(1)
根据观测和统计发现[4],台风形成的最主要条件是:① 海水从表面至60米深度范围内,温度不低于摄氏26~27℃;② 大气温度随高度迅速降低;③只能在纬度大于5度以上的范围内生成;大部分台风在南北纬10至30°之间形成。
(2)
3.2
台风形条件的第①条之所以要求海水温度较高,是为了给台风活动提供能量;太阳黑子活动区的对流层底部温度高达50万℃以上,足以提供黑子活动的能量;第②条要求实际是为密度倒转及上下对流创造条件,观测已证明,这种条件在太阳对流层中的低纬度区已实际存在;第③条要求,实际上与黑子在太阳上的活动区基本相符;据统计,绝大多数黑子都出现在赤道两旁且平行于赤道的幅宽为15°~20°的区域内;这与台风的分布范围很接近。黑子之所以不能出现在更高纬度区域,可作如下解释:如图2所示,在两极附近地区,由于对流层底部物质来自对流上升区的边缘,其高层物质则来自对流上升区的中央,故其底层温度要低于上层;在物质向赤道方向流动过程中,底层物质温度会因吸收摩擦功而逐渐升高,而外层物质的温度则因辐射散热而不断降低,所以只有在低纬度区下层物质的温度才能高于上层,才具备形成密度倒转及产生黑子的条件。
3.3
台风主要表现的第①条所述的台风眼,实际上就相当于黑子的本影;还发现本影区有气体向外围半影区流动,这也与台风顶部气体向外扩散的情况完一样。第②条所述台风眼外围气旋,在南、北两半球方向相反的情况,这与太阳南北两半球的黑子磁场极性相反很类似;而以后的论证说明,太阳很可能因太阳两极高速喷射气流而使净电荷极性周期性发生变化;那么就可用黑子活动引发与台风一样的气旋,对黑子磁极变化的主要规律作出圆满的解释;因此有理由论为,黑子实际上就是太阳表面一种类似台风的巨大气体漩涡;也由此可见,黑子活动区磁场强度增大,不是黑子活动的原因,而是其活动的结果。
观测发现,黑子本影中的磁力线垂直于太阳表面,而在半影中则较倾斜;这与通电线圈中的磁力线的分布情况一模一样,而二者电荷作旋转运动的形式也几乎相同;这也是黑子活动形成磁场的有力证据。此外还发现,黑子活动区及其外围的平均辐射强度明显高于其它区域;这说明其下部一定存在增温机制,因为热能不可能无缘无故从低温区向高温区输送。按本文观点对此可作如下解释:因黑子活动过程要伴随发生下部物质的旋转运动,这将与台风一样使周围气体在压差力作用下向黑子中心流动,从而使其部分动能通过内摩擦作用转化成热能而形成增温机制。
如前所述,黑子的形成与台风有很多相同的特征,但因存在以下差别和原因,使黑子中心气体上升到一定高度便会停止上升:① 太阳等离子气体的粘度比大气要高很多个数量级,故形成的旋风旋转速度较慢,中心压力降低较少,故其上升速度也要小得多;②太阳表层的重力加速度是地球的28倍,故相同密度的物质上升相同距离时,压力降也要大28倍,从而增大膨胀作功的能量损失;③ 黑子从底部至顶部的高度约为17万千米,与台风眼最大高度18千米相差近万倍。计算表明,在以上因素影响下,当气体上升到一定高度时,会因膨胀作功失去的能量大于向上传输的能量,便将使顶部气体降温,使密度及压力增大而向四周扩散流动,从而使其上升流动终止。这就可以解释黑子中心为什么温度最低,以及黑子本影中的气体为什么向四周半影区扩散流动。半影区因接受来自周围由辐射及传导而来的热能,故能解释它为什么亮度高于本影。此外,由于黑子中心部位温度较低,密度较大而要下沉,从而可解释黑子中央为什么下陷成锅状。
4.
根据它们爆发强度及释放能量的差别,对其发源地所处深度及形成机理可作出以下判断。
日珥的发源地应处在对流层的最底层;因该层位的温度较高,物质粘度及剪切速度也较大,一旦形成上述正反馈循环,则升温最快;当该区域形成密度倒转后,因其粘度过大而使上升速度缓慢且无法像黑子那样形成旋转气流,故能在较长的上升时期内获得更多热能,当它积蓄足够能量时,便会挣脱束缚而快速上升及喷发而形成日珥。又因它带有净电荷,上升时要形成强大电流,并如(6)式所述将部分能量储存在周围的磁场里,它可支持喷出的气流抗衡太阳引力,这就可解释喷出的气体有时为什么能一反常态长期漂浮在日冕的下方。耀斑的发源地应处于日珥之上,光斑的发源地则更高;所以二者爆发强度及释放的能量依次降低。黑子的发源地应处在光斑之上;因该处温度、密度及粘度都相对较低,故有利于其周围旋风的形成,也因此它活动强度及释放能量都最小。本文观点对双极黑子的成因也能作出较好的解释,但受篇幅所限而只得省略。
5.
如前所述,太阳核聚变区物质形成密度倒转并产生两极喷发后,因不断输出物质及损失热能,其温度会逐渐降低;当温度低到一定程度时,密度倒转现象就会消失,物质上升流动就会停止。核聚变区损失的物质将由辐射层物质收缩来弥补,从而使其压力基本保持不变,并使外围新鲜氢气进入核聚变区,使其形成不断循环过程,使核聚变区不致因氢气耗尽而停止反应。此后,核聚变区下一轮增温过程重新开始;直至温度升高到出现密度倒转而引发下一次两极喷发。这样周而复始就形成11年的周期性活动。
鉴于间歇喷泉与上述太阳两极喷发的机理有较大相似之处,而对其喷发机理至今仍未弄清,故在此稍作论证,以作为上述解释的佐证。据笔者计算,只要喷泉热源之上的积水深度达到2.2千米左右,其底部压力可达到22MPa,热源处水的沸点则可达到374℃,其汽化潜热则降为零,故当它失压时不需吸收潜热而可直接快速转化为水蒸汽。但还需具备另一个关键条件,那就是热源处水温达到374℃以前,不要形成上下对流而将热量充分传出;这只有当下层水因压力升高的体积压缩量大于温度升高体积的膨胀量时这一要求才能达到;但根据常温常压下水的热膨胀系数及体积弹性模量来推算,发现离上述要求还相差很远。但若假设泉水中存在大量微小的气泡,则上述情况就有可能出现,因为气泡的压缩率比水大得不可比拟。观测已发现,地下不断微量排气是较普遍的现象,尤其在火山及地震活动区排气现象更为明显;因此,泉水中不缺乏气体连续供应的来源。我们知道,水对气体的溶解度随压力及温度升高而加大,故热源处排出的气体不断上升时,随着压力、温度及水的溶解度逐步降低,存在于泉水中气泡就会逐步增多,从而使其密度随高度增大而降低。这会明显抑止密度倒转及上下对流现象的出现;同时也会使热源处的热量不能充分排出并使水温不断升高,最终便形成密度倒转;这时下部过热水就会失稳而有向上对流的趋势;它向上流动时因压力降低而会立即汽化,并将上部的积水向外推,愈向外推它所受压力就愈小,汽化速度就愈快,从而形成正反馈循环,使上部积水急剧排出而形成喷泉。当其能量耗尽后,情况将逐渐恢复原状,热源处的水重新升温,为下一次喷发积蓄能量;这样周而复始便形成间歇喷泉。以上情况足以说明,太阳两极喷射实际上就相当于一个间歇期为11周年的超级间歇喷泉。
6.
上世纪末的观测还发现[3],有些恒星在两极存在间歇性气体喷射现象。但时间已过去17年,却未见天文学界对其形成机理作出任何解释;而这种现象正好与本文观点完全相符,故可说这就是本文两极喷射观点强有力的证据。但大多数恒星都与太阳具有类似的成分与结构,照理都应具有在两极产生气体喷射的条件,可是我们观测到的这种恒星却并不多,而且已观测到的大都是刚形成不久的恒星;对此可作如下解释。
恒星形成初期,因引力塌缩而使其内部急剧增温,使氢的热核反应启动并迅猛加剧,从而使两极喷射现象也特别强烈。目前一般认为,金牛座T型星是一种正处在引力收缩阶段的主星序前恒星,它向外猛烈抛射物质;所以我们观测到的可能就是这一类恒星。但这种喷射会使其内部热能迅速耗散,将使热核反应逐渐进入平稳活动时期,并使喷射规模大幅减弱,那么喷射出的气体会像处在我们眼前的日冕层一样,温度虽极高但却极其稀薄,从而使其黑度趋近于零;所以我们就无法观测到。
从网上输入“恒星喷流”的关键词,就可查看到残留在太空一连串具有间隙的“喷流气柱”的照片;从中可以看出,气柱的长度比间隙长度要大很多倍。这种间隙长度应与两次喷射的间歇期及喷射速度的乘积成正比;如果假设太阳的上述喷射速度为每秒1000千米(这是完全可能的),已知太阳喷射的间歇期为11周年,那么就可估算出喷射的气体柱长度可达0.1光年数量级。由于这种气体柱是由导电性极好的等离子体组成,所以太阳在喷射时,它就像通向太空的一条极长并具有很大电感的导线,太阳所带净电荷就会沿着这条“导线”向太空放电。那么它就会像振荡电路一样,这条极长的“导线”就相当于一个电感,太阳则相当于电容器带电的一极,因此,如果太阳原来带负电荷的话,放电结束后一定会转变成带正电荷。它与振荡电路不同的是,电荷是排向太空而不是排放到电容器的另一极,所以电荷不可能形成连续的往复振荡,而只能等待下一次密度倒转及产生两极喷射后太阳电荷极性才能反转;由于每次喷射都会向这种“振荡电路”中输入一定能量,从而可弥补其损耗使振荡能长期持续进行。这样周而复始,就可圆满解释困扰人类百多年关于太阳磁场周期性倒转成因这一世界性难题。
7.
分析表明,上述两极喷发有可能为令人不解的超高温日冕提供加热的能量,因为它的温度足以达到百万度以上,从而为破解这一困扰天文学界近一个世纪的谜团提供了可能。之前虽有科学家猜测,其中的奥秘或许就在太阳表面的热等离子体喷发上,但至今仍不知道这些等离子体喷发是如何形成的。本文提出的机理正好可对这种喷发作出合理的解释。
近年来天文学家发现太阳风有两种,速度较快的太阳风起源于太阳极点附近的冕洞,其运行速度为2.9×109m/h,速度较慢的太阳风来自太阳赤道区域,运行速度约为7.2~18×108m/h,前者约为后者的1.6~4倍,从而可根据分子平均热运动速率的计算公式算出,两极温度应为赤道的2.6~16倍左右;这与本文提出的两极喷发的观点正好吻合,而传统观点无法解释两极如此之高的升温能量从何而来。观测结果还表明,在某些日面纬度上日冕自转速度比光球自转速度慢,并且随太阳周期的位相而变化;这种情况只有在间歇性输入低角动量物质的条件下才有可能出现,否则,光球会通过极高粘度的等离子体的摩擦作用,迅速将角动量传输给日冕而使二者角速度差消失;而从两极喷射出的高温物质的角动量将会很小,正好能满足这种需要;这也是日冕高温来自上述喷流的旁证。
8.
美国科学院空间科学委员会曾提出的第一个挑战性的科学问题就是[6]:“理解太阳内部的结构和动力学、太阳磁场的产生、太阳周的起源、太阳活动的成因和日冕的结构和动力学。”;目前对这些问题的解释几乎都停留在笼统的定性描述和猜测的基础上,存在的争议和疑点还很多;都是有待继续探索的世界性难题。本文从核聚变区物质密度倒转及两极喷流这一发现的基本事实出发,并根据大量符合物理定律的定量或半定量数理计算及逻辑推理,对其中几乎所有问题都作出了系统的能自洽而又合理的解释,故它应比传统观点具有更高的可信度;它也有可能为进一步研究提供参考或开辟一条新的思路。
由于所引用的很多资料数据及对有关活动的现有解释,从网上都可以随处方便地查到,故在文中叙述时没有一一指明其资料来源及出处。因本文所涉及的问题非常复杂,又受笔者知识水平所限,文中难免存在缺点与错误,恳请有关部门及专家给以宽容、支持和批评指正,使它能起到抛砖引玉的作用。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]

加载中…