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太阳上的,太阳比你看起来更活跃么

文章作者:管家婆资料 上传时间:2019-08-29

太阳风暴,能像预报天气那样预测?

在发表在《科学报告》和《太阳物理学》两项新研究中,科学家们描绘了一幅太阳周期如何突然死亡的图景,这可能导致等离子体的海啸穿过太阳内部,并在短短几周后引发下一个太阳黑子周期的诞生。这些新发现让我们对太阳黑子周期的神秘时间有了更深入了解。太阳黑子周期特征是太阳表面太阳黑子活动的增减。虽然科学家们早就知道这些周期会持续大约11年,但要准确预测一个周期何时结束、下一个周期何时开始一直是个挑战。

在第24个太阳周期间,太阳表明迄今为止它仍不乏神秘之处。

人们热爱太阳光的温暖,却往往忽视我们赖以生存的这颗恒星的暴烈。虽远隔亿万公里,太阳风暴对地球的影响依然巨大,导致的损失难以估量。人类能及时预测太阳风暴,进而降低遭受的损失吗?美国国家大气研究中心的一项最新研究成果或为人类预测太阳风暴提供了可能。

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也许太阳产生的最大新闻是它“没在做”的事。 正如《天文在线》报道的,本周期在表现上格外薄弱。2009年是彻底的太阳活动谷年,因此目前的第24轮周期起步较晚,代表太阳活动峰年的磁极极性翻转才刚刚抵达我们这.....

NCAR研究人员在近日出版的《自然:天文学》杂志上发表论文称,太阳上存在类似于地球上行星波一样的长波,很可能与太阳黑子、耀斑等活动密切相关。这一发现使科学家今后能从一个新角度观察太阳,更好地研究太阳的活动。

新的研究可能会改变这一状况,在其中一项研究中,科学家们能够确定清楚标志着太阳黑子周期结束的“终结者”事件。这项研究依赖于近140年来从地面和太空观测到的太阳活动。了解了这些终止器的运行情况后,科学家预测当前的太阳周期将在2020年上半年结束,不久之后新的太阳周期25就会开始。在第一项研究的推动下,科学家们进行了第二项研究,利用一个复杂的计算机模型,探索了终结者事件如何触发一个新太阳黑子周期开始的机制。

或者,是吗?

罗斯贝波,极端天气的背后推手

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罗斯贝波是一种行星波,由20世纪最有影响的气象学家卡尔—古斯塔夫:罗斯贝发现并因而得名。罗斯贝波是地球大气中的一种非常缓慢的、大尺度的波动,波长(两个相邻槽线或脊线之间的距离)达3000千米到10000千米。它因地球自转时不同纬度和高度上的角速度不同而引发,是地球大气中自然形成的一种现象。

模拟结果表明“太阳海啸”可以提供这种联系,并解释太阳从一个周期到下一个周期的惊人快速转变。这两项研究都是由美国国家大气研究中心领导。国家大气研究中心的科学家斯科特·麦金托什(Scott McIntosh)说:在过去一个多世纪观测记录中一直隐藏着终结者存在的证据,但直到现在,还不知道自己在寻找什么,通过将这么多年来的各种观测结果结合起来,现在我们能够把这些事件拼凑起来,从而对太阳内部如何驱动太阳周期提供一个全新的视角。

密歇根大学安阿伯市大气、海洋和空间科学系在《天体物理学报》上发表了一项令人激动的新研究成果,称在太阳周期活动时,我们只看到了谜题的一部分。

在地球上,罗斯贝波与大气喷流的路径和压力系统的形成有关,会对大气气象造成很大影响,因而成为天气预报的重要理论依据。也曾有研究认为,北半球与大气环流模式有关的一些极端天气,如2010年的俄罗斯热浪、2013年的欧洲洪水,极有可能与罗斯贝波密切相关。

闪烁的光揭示了奥秘

传统模型依赖于月平均太阳黑子数量。这个数字关联着观测到的太阳朝向地球一面的黑子数量的统计估算值。自1848年鲁道夫·沃尔夫首次提出以来,一直使用它,这也是为什么相对太阳黑子数量有时也被称为沃尔夫数量或者苏黎世数量。

观测太阳,科学家等来一个机会

太阳黑子周期是在太阳活动极小期(太阳表面平静的时期)之后产生。随着太阳活动周期的继续,越来越多的太阳黑子出现了,它们首先出现在南北半球约35度的纬度上,并在10多年后缓慢地向赤道移动,然后再次消失,进入下一个太阳活动极小期。这一过程大致中点是太阳活动的最大值,此时太阳黑子最为丰富。预测太阳黑子演化的时间是一个主要科学目标,部分原因是太阳黑子的活动与太阳风暴有关,太阳风暴会破坏地球的上层大气,影响GPS信号、电网和其他关键技术,但事实证明,这样的预测颇具挑战性。

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地球上的罗斯贝波形成于大气中的旋转流体,而太阳同样在旋转,且由于它主要由等离子体组成,在某些方面,就像一个巨大的磁化海洋一样。因此,在NCAR科学家斯科特:麦金托什看来,太阳上存在罗斯贝波并不奇怪。

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但太阳黑子数量可能只讲述了故事的一半。在他们在2013年的题为《评估太阳磁场的总体复杂性与跟踪太阳周期的两个新参数》的论文中,研究人员赵亮,恩里科·兰迪和莎拉 E·吉布森描述了一种通过观察三维动力日球层电流片(HCS,heliospheric current sheet)来为太阳活动建模的新方法。

但猜测到与实际观测到完全是两码事。长久以来,科学家们并没有把这种波形区分开来的手段。他们可以利用众多的卫星全方位地观测地球,但却只能站在地球上仰望星空,从一个角度去研究太阳。

例如,太阳目前处于太阳活动极小期,科学家们知道相对的平静意味着当前太阳活动周期即将结束,但很难说新的周期将在几个月后还是几年后开始。研究可以提供更清晰的信息,包括周期时间以及周期本身的驱动因素。研究人员首先研究日冕亮点的运动——太阳大气中极紫外光的短暂闪烁。通过观察亮点,科学家们认为已经对太阳周期有了更全面的了解,而不是仅仅关注太阳黑子的活动。亮点首先出现在比太阳黑子高纬度的地方。

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这一窘境直到2011年才有所改观。从2011年到2014年这3年里,科学家们终于找到了一个前所未有的机会,一个一次性全方位观测太阳大气的机会。在此期间,他们不仅得到了布设于地球与太阳之间的美国国家航空航天局太阳动力观测站的观测数据,同时还得到了NASA日地关系观测站任务中两颗围绕太阳飞行的航天器的观测数据。三个观测台提供了持续的、360度的太阳观测视角,直到2014年STEREO的一个航天器失去联系。

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图解:日球层电流片穿过内太阳系的螺旋曲线。(图片来源:NASA)。

结合三颗卫星的数据,科学家们可以看到整个太阳,得以在同一时间进行全面的观测。NASA戈达德太空飞行中心的SDO项目科学家迪恩:佩斯奈尔说:“这些数据扩展了我们的研究边界,对于了解太阳磁场及太阳内部活动至关重要。”

并以每年大约3度的纬度向赤道移动,几十年后到达赤道。这些亮点所追踪的路径与中纬度地区太阳黑子活动重叠,直到它们都到达赤道并消失。这次消失被研究人员称为“终结者事件”,紧随其后的是中纬度地区爆发的大量亮点活动,标志着下一个太阳黑子周期的开始。在发表在《太阳物理学》上一项确定“终结者”事件的新研究中,科学家们用来自不同航天器和地面观测设施的一系列其他观测结果。

日球层电流片是太阳磁场的边界,它将向外延伸至整个太阳系的北极与南极区域分隔开来。在太阳活动谷年,电流片几乎是平的、呈裙子状。但在太阳活动峰年,它是倾斜的、呈波浪形,很复杂。

数据挖掘,万千影像中查找波形

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该项目研究人员使用两个变量来生成可以表征HCS三维复杂性的测量结果。赵亮告诉《今日宇宙》:“SD是HCS在太阳表面每份卡灵顿地图(Carrington map)上的位置的标准纬度偏差,它主要告诉我们HCS从赤道分布的距离。 SL是该地图上HCS的斜率积分,它可以告诉我们每份地图上HCS的波动率。”

麦金托什和合作者全面挖掘了在这一窗口期收集到的数据,希望能够看到大尺度波型的出现。

证实了亮点观测结果,这些观测数据可以追溯到13个太阳周期。这篇论文的作者之一,同时也是美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究员,马里兰大学的科学家Bob Leamon说:我们能够通过观察一系列不同太阳活动测量数据(磁场、光谱辐照度、射电通量)以及亮点来识别这些终止器,研究结果表明,真的需要退后一步,利用所有可用的数据来欣赏事物是如何运行的,而不是仅仅一个航天器、一个观测或一个模型。

对太阳磁场的地面和空间观测利用了一种称为塞曼效应的现象,这种现象首先在1908年,乔治·埃勒里·黑尔使用他新发明的太阳光谱镜进行的太阳观测中得到证实。对于该研究,科研人员使用了涵盖1975至2013年间的数据,来描述威尔科克斯太阳观测台在线提供的HCS数据的特征。

研究小组利用SDO和STEREO仪器拍摄的图像来识别和跟踪太阳表面的冠状亮点。这些亮点分布在整个太阳表面上,并被用来跟踪、分析太阳大气的深层运动。他们将合并后的数据绘制在霍夫穆勒图上,这是一个由气象学家开发的研究工具,以突出波在地球大气层中的作用。通过分析,研究人员得出结论,磁化活动会慢慢地扫过太阳,就像在地球上的罗斯贝波一样。

海啸的连接

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这一发现使得科学家能将一系列与磁场相关的太阳现象,包括太阳黑子的形成、黑子生命周期、11年太阳周期的起源等联系起来。麦金托什说:“所有这些现象可能是‘捆绑’在一起的,但我们需要一个全面的视角来看待它们。我们相信,数十年来人们一直在观察这些类似罗斯贝波的影响,但却没有把它们整合在一起。”

研究团队发现,日冕亮点能让他们更好地“看到”太阳周期的展开。但是为什么太阳黑子周期会在“终结者”之后的几周开始在中纬度地区激增呢》这篇关于太阳海啸的研究论文,由NCAR科学家茂苏米·迪克帕蒂(Mausumi Dikpati)领导,发表在《科学报告》(Scientific Reports)上,探讨了观测背后可能的机制。表明,日冕亮点是太阳“环形磁场”运动的标志,这种磁场像橡皮筋一样环绕着太阳,沿东西方向伸展,在过去20年里缓慢地向赤道移动。

图解:SD和SL参数与传统的月度太阳黑子数量并列。注意直至2003年左右第23轮太阳周期结束前的平滑拟合。(图片来源:赵亮/《天体物理学报》)

预测风暴,尚需更全方位的观测

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比较HCS值与之前的太阳黑子周期会产生一些有趣的结果。尤其将SD和SL值与月度太阳黑子数量进行比较,可以为前三个太阳周期提供“良好的拟合”

太阳上存在类似罗斯贝波的波动现象,这一发现使科学家可以从新的角度理解太阳的真实情况,而且可以更好地预测太阳的活动。

当这些环形磁场波浪形地到达表面时,会产生太阳黑子以及它们已经产生的亮点。当它们移动时,也扮演着磁坝的角色,将等离子体困在身后。当来自太阳南北半球的环形磁场接触到中间时,它们相互抵消的电荷导致它们相互湮灭,在海啸中释放出它们背后被压抑的等离子体液体。这种液体向前冲,碰撞,然后向后波纹,以大约每秒300米的速度向两极移动。当太阳海啸到达太阳的中纬度时,会遇到下一个周期的环形磁场,这些磁场已经向赤道移动(这一过程由日冕亮点的路径标志),但在太阳内部移动得更深。

  • 直到第24周期。

美国国家科学基金会大气和地球科学部门项目主管伊利亚:罗塞夫指出,这一发现对太阳风暴的预测至关重要。太阳风暴是空间气象恶化的主要驱动力,而恶劣的空间气象会对地球造成严重影响,如损坏太空中的卫星,影响通信和导航系统,导致电网停电,其造成的经济损失每年高达100亿美元。

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“看看HCS值,我们可以发现太阳早在2003年就开始表现奇怪,”赵亮说,“以月度太阳黑子数量为特征的当前周期延迟了一年开始,但就HCS值而言,第24个周期的峰值正好按时发生,第一个峰值就在2011年末。”

但现在就说人类可以准确预测太阳风暴还为时过早。科学家们还需要更广的观测角度和视野,再次对太阳进行全方位的观测,以更深入地了解这种波的波形和存在的模式。麦金托什说:“我们需要一个围绕太阳飞行的宇宙飞船,持续监测太阳磁场的演变。”

海啸将这些磁场浮起,将它们抬升到表面,并产生大量的亮点(以及伴随而来的太阳黑子活动)这标志着新的太阳黑子周期开始。研究观察太阳黑子的周期已经有几百年了,但是究竟是什么机制能够在如此短的时间内,把一个信号从周期结束的赤道,传输到太阳的中纬度,也就是下一个周期开始的地方,一直是个谜。作为一个整体,这项研究提供了一种新方式来思考太阳内部的运作方式,挑战了一些关于太阳活动过程的传统思维。不管这项研究是否在正确的轨道上,也不管它能否提高我们的预测能力,很快就会得到第一个测试。

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(科技日报华盛顿4月10日电)

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“科学家认为,这一高峰周期中,太阳黑子数量也将有两次峰值,与上一太阳活动高峰相同(分别在在~2000和~2002年),”赵继续说,“因为太阳南、北半球的磁场看起来不对称,北方进化得比南方快。但据我所知,24号周期中月平均太阳黑子数量的峰值仍然出现在2011年11月。所以我们可以说第24周期的第一个峰值可能就是2011年11月,因为它是本周期中迄今为止最高的月度太阳黑子数量。如果有第二个高峰,我们迟早会看到它。”

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研究人员表示,有许多仪器非常适合观测当前太阳周期不可避免的结束和下一个太阳周期的开始。其中包括去年8月发射的帕克太阳探测器、STEREO-A宇宙飞船、太阳动力学观测站、井上丹尼尔太阳望远镜等。明年,应该有一个独特的机会,广泛观察终结者事件的展开,然后观看太阳黑子第25个周期的开始。研究人认员表示相信其研究结果,尤其是如果“终结者”真的如预测的那样出现,可能会彻底改变我们对太阳内部以及产生太阳黑子和形成太阳黑子周期过程的理解。

该论文还指出,尽管第24周期与第25周期相比尤显薄弱,但与过去260年间的太阳活动周期相比,其活动范围并非孤例。

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图解:标绘在太阳表面的HCS曲线。比较了2000年10月的太阳能峰值,2005年4月的下行阶段,2009年9月的太阳谷值,以及2010年3月的上升阶段。 CR =卡林顿旋转(Carrington Rotation)。 (图片来源:赵亮/《天体物理学报》)

HCS值描绘出太阳在一个完整的27天卡林顿旋转内的特征。这是太阳旋转的平均值,因为极点比赤道区域旋转得慢。

极点再次反转回相同极性所需的大约22年的时间跨度,等于两个平均11年的太阳黑子周期。在这个周期中,太阳的磁场异常不对称,在撰写本文时,太阳已经先行完成了北极的逆转。

这种即将来临的极点翻转不对称,首次记录在跨越1954年至1964年的第19个太阳周期期间。太阳周期从1749年开始的观测起编号,距持续70年的蒙德低谷期(Maunder Minimum)结束正好40年。

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“这是研究太阳磁场的一个激动人心的时刻,我们可能会目击一种低活跃度周期的回归,就像100年前那样,”NCAR/HAO的资深科学家和共同作者莎拉·吉布森说。

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图解:一个巨大的太阳黑子群在2013年7月初旋转着进入视野,是迄今观测到的第24号周期中最大的之一。 (图片来源:NASA / SDO)。

但这一次,空间和地面天文台组成的无敌舰队将以前所未有的方式来审视我们的主星。太阳和太阳风层探测器(SOHO,SOlar Heliospheric Observatory)已经相当于跟随太阳通过了一个完整的周期 - 现在,它已与日地关系天文台(STEREO A&B)、日本宇航探索局的日之出卫星,欧洲航天局的普罗巴2号卫星和NASA的太阳动力学观测站在太空中联合起来。 今年早些时候NASA发射的界面区域成像光谱仪也于近期开始工作。

太阳南极的磁极性反转之后,第24周期是否会出现第二个峰值,还是即将“离开”?第25周期是否会如一些研究人员所说的那样一并缺席?在复杂的气候变化谜题中,太阳活动到底扮演了什么角色?对太阳科学来说,未来几年将非常令人兴奋,因为HCS SD和SL值的预测意义正投入考验......这正是优质科学的全部意义所在!参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

  1. Amy-universetoday

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