對太陽進行「天氣預報」?!難道太陽上會下雨嗎?

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  文章來源:科學大院 微信公眾號  太陽無時無刻不在變化著,並且有多種活動方式,有規律性的,也有突發性的。天上的衛星、地面的台站,數不清的儀器在監測著太陽,人們可以借此預測不同太陽活動變化對地球空間的影響及程度,這就是針對太陽的「天氣預報」。

文章來源:科學大院 微信公眾號

太陽無時無刻不在變化著,並且有多種活動方式,有規律性的,也有突發性的。天上的衛星、地面的台站,數不清的儀器在監測著太陽,人們可以借此預測不同太陽活動變化對地球空間的影響及程度,這就是針對太陽的「天氣預報」。

太陽「天氣」的決定因素是什麼?如何進行預報呢?

太陽天氣 關鍵看黑子

太陽黑子是人們最早觀測到的太陽活動現象。1843年,德國天文愛好者施瓦布通過日常觀測發現了太陽黑子數量的多少存在11年左右的週期。之後,隨著觀測數據的增加,這一規律不斷被證實,並且人們發現黑子數的多少與這個時期的太陽活躍程度相對應。於是,太陽黑子數的這種規律變化成為人們劃分太陽活動週期的標誌,黑子數量的高峰年稱為太陽活動峰年,黑子數最少年稱為太陽活動低年,兩次低年之間定為一個太陽活動周。

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太陽活動周變化示意圖

至今,太陽黑子數仍是最典型、最具代表的一種太陽活動參數,人們對太陽活動周的預報主要體現在對太陽黑子數的預報。通過對一個活動周內太陽黑子數的預測,我們就可以判斷未來一個太陽活動周的整體趨勢,哪個階段太陽會比較平靜,什麼時候會到達太陽活動周峰年,峰年水平會有多高,太陽風暴發生的強度和概率有多大等等。

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太陽黑子數年變化

除了太陽黑子數之外,人們還發現了另一種能代表太陽活動周變化的參量——太陽10.7cm射電流量(F10.7)。從長期的監測中人們還發現,F10.7和太陽黑子數有很強的相關性,F10.7值的大小也能很好地代表太陽活動的強弱,並且由於F10.7在地面就可以監測獲取,長久以來在許多重要的電離層和中高層大氣模型中,通常都是以F10.7作為輸入來表徵太陽活動的水平。因此,無論是過去、現在,還是未來,F10.7監測在太陽活動預報和研究中都將具有舉足輕重的地位。

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F10.7和黑子數關係

在長期觀測中,人們還發現11年大規律下還隱藏著小秩序,即在一個活動周中內,太陽黑子的出現並不雜亂無章,而是非常有「秩序」,開始先是在太陽較高緯度對稱出現,之後逐漸向赤道推移,一周接一周,永不改變,這便形成了我們經常看到的美麗的黑子蝴蝶圖。

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太陽黑子日面位置變化蝴蝶圖

到此,我們是不是很瞭解太陽黑子了呢?並不是。20世紀初,美國天文學家海耳在研究黑子的磁性時,發現成對出現的太陽黑子的磁場極性總是相反,如果北半球上前導黑子是N極,後隨黑子則是S極,而南半球黑子則相反,並且在同一太陽活動週期內兩個半球上黑子群的磁極性分佈保持不變。當下一個週期開始時,南北半球雙極黑子的磁極性則發生對換。因此,黑子磁場的極性分佈每隔22年經歷一個循環,稱為一個太陽磁週期。

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太陽黑子磁場變化

太陽風暴之前有哪些徵兆?

1908年,海耳利用磁場能夠導致光譜線分裂的塞曼效應原理推算出黑子具有3000-4000高斯的強磁場。1952年,美國巴布科克父子研製出了世界上第一台光電磁像儀,它可以測出強度僅有1高斯的弱磁場,從而使太陽磁場的研究從黑子區域擴展到整個日面。越來越多的磁場觀測已經證實了黑子的演化和爆發都與磁場有關。

太陽風暴發生與否,關鍵決定於太陽黑子群的複雜程度。監測發現,黑子群的磁場結構越複雜,就越容易儲存更多的磁能,也就更加容易產生大規模的太陽爆發活動,相反,那些面積小、磁場結構簡單的黑子群由於沒有能力儲存更多的磁能,則幾乎不會爆發或只爆發小規模的活動。歷史上的那些強太陽風暴的發生都起源於具有複雜磁場結構的黑子群。因此,黑子群面積、磁場的實時監測,可以讓預報員及時瞭解黑子群的發展和演化進程,為預測太陽風暴提供強有力的證據。

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黑子群與太陽爆發

如何做出「太陽天氣預報」?

通過衛星雲圖監測,天氣預報員可以告訴你會不會颳風、會不會下雨。太陽黑子爆發了,太陽風暴來了,我們如何知道?當然要靠太陽監測。而對太陽風暴的監測,最主要是對耀斑和日冕物質拋射監測。

耀斑是電磁輻射突然增強的一種表現,在太陽觀測圖上常表現為某區域的突然增亮,在X射線耀斑流量監測中則表現為流量的快速上升。耀斑發生時,預報員通過流量的監測可以實時判斷耀斑發生的時間和級別大小,並可以快速地預測出電離層發生擾動的區域和強度。而不同波段的耀斑成像監測,不但清晰、詳細地展現耀斑的爆發過程和爆發強度,通過圖像,預報員可以及時確定耀斑發生的位置,分析所對應的黑子群活動情況,從而預測後期的再爆發概率。

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耀斑的Ha觀測和極紫外觀測

日冕物質拋射,正如其詞義所表達的那樣,是指從太陽大氣中向行星際空間拋射出一團日冕物質,當其發生時,從日冕圖像中會很清楚看到明亮物質噴出。通過連續的日冕成像圖,就可以判斷日冕物質拋射發生的時間、拋射的方向及傳播速度等等,再結合日面黑子群和耀斑發生情況,就可以確定這團物質的源區位置。

目前,SOHO和STEREO衛星的的聯合監測,實現了從不同角度對同一日冕物質拋射的立體觀測,更加清晰地展現了日冕物質拋射的全過程。日冕物質拋射對地球的主要影響是引起地球磁場變化,產生地磁暴。而一般日冕物質拋出後,需要約1~4天才能到達地球,這樣預報員有比較充裕的時間來分析日冕物質拋射的特性,並根據行星際到地球空間的各種觀測資料,預測該團物質是否會到達地球、到達地球的時間及可能對地球磁場產生的影響程度。

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日冕物質及地磁暴

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在耀斑和日冕物質拋射發生時,也可能伴隨有高能帶電粒子噴出,在監測中主要表現為不同能量段質子通量的增加,即我們常說的質子事件。根據實時的監測數據,預報員可以判定此次質子事件的級別、發展過程,並預測可能持續的時間,及時發出警報和預報信息。

預報員的「眼睛」——衛星

人類對太陽活動的監測已有幾百年的歷史,隨著人類活動進入太空,衛星在太陽活動監測中起到了巨大的作用。在過去半個多世紀的航天史上,有一系列經典的衛星被送入太空。人類對太陽的認識,對地日關係的理解,對太陽風暴的監測……,離不開這些置於太空中的銳眼--SOHO、STEREO、SDO等等,將來還會更多,每顆衛星都搭載有多種探測儀器,實現不同的功能。

SOHO是首當其衝的第一顆,1995年12月2日發射升空,目前仍在服役當中。可以毫不誇張地說,在SOHO之前人類從未有過這樣的機會,可同時對整個太陽,從內到外進行如此綜合的探測。此後2006年發射的STEREO雙子星,2010年發射的SDO,一顆又一顆的「大眼睛」,為人類揭示著這個神秘氣體球的多種面孔。

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SOHO衛星對太陽的探測

向它們致敬,更向其身後的科學家們致敬!!!

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