日珥

Prominences

日珥是在太阳的色球层上产生的一种非常强烈的太阳活动,是太阳活动的标志之一 。日珥是通常发生在色球层的,它像是太阳面的“耳环"一样。

太阳大气层里的巨大气体云,比其环绕物浓厚且冷,通常用分光镜就可看见。它们如同火焰般突出在太阳边缘。在结构上,它们显示出巨大的差异。静止日珥在太阳高纬度处可延续数月,典型的可达40000千米高、200000千米长。活动日珥相对来说存在时间较短,并且可在几分钟内改变形状。

日珥的研究历史

日全食时,用肉眼可以看见火红色的日珥。1842年7月8日日全食的观测,留下了最早的、明确的日珥观测记录。1860年7月 18日日全食时拍摄了日珥的照片。1868年8月18日日全食时,拍到日珥的光谱,确定日珥的主要成分是氢。此外,还在日珥光谱中发现一条波长为5876埃的黄线,但在当时实验室里从未见过这条谱线,遂把发出这种谱线的物质命名为Helium(氦),此字源于希腊语Helios(太阳),意即太阳元素。到1895年,才在实验室里提炼出氦。从二十世纪初期起,天文学家用分光仪等仪器对日珥的光谱、物态、结构、运动、形成、演变等进行了大量的研究。如今空间探测兴起,在地球大气层外拍得了日珥的紫外线和X射线光谱 。此外,还对日珥进行了射电观测。

日珥的形态特征

日珥是突出在日面边缘外面色球层的一种太阳活动现象。它们比太阳圆面暗弱得多,在一般情况下被日晕(即地球大气所散射的太阳光)淹没,不能直接看到。因此必须使用太阳分光仪、单色光观测镜等仪器,或者在日全食时才能观测到。日珥出现时,大气层的色球酷似燃烧着的草原,玫瑰红色的舌状气体如烈火升腾,形状千姿百态,有的如浮云,有的似拱桥,有的像喷泉,有的酷似团团草丛,有的美如节日礼花,而整体看来它们的形状恰似贴附在太阳边缘的耳环,由此得名为“日珥”。

日珥的爆发最为壮观,爆发前是一团密密实实的“冷气团”,温度只有7000℃,悬浮在100万℃的日冕中。日珥在大小、形状和运动方面差别很大,而且有活动日珥和宁静日珥两种主要类型。活动日珥快速喷发,持续几分钟至几小时。活动日珥和黑子群有关,而且同黑子群一样,在数量和活动上都同太阳活动周期紧密相关。宁静日珥喷发平缓,减退更慢,可延续几个月 。

日珥的形成原因

日珥的形成问题尚未解决。最难解释的是,大部分日珥在比它们稀薄得多的日冕中存在,常常在几乎是空无一物的日冕中突然浮现出日珥。计算表明,日冕的全部物质都不够凝聚成几个大日珥,因此,日珥的物质基本上来自色球层。如今比较流行的日珥形成理论,认为日珥出现在日冕磁力线的马鞍形凹陷处(图2)。如果由于某种原因,日冕磁力线有局部的凹陷,这时与磁场“冻结”在一起的色球物质沿磁力线运动,会有一部分留存在这样的“磁坑”内,由此形成日珥。从侧面看,由于日珥物质所受的重力与洛伦兹力正好平衡,磁力线可以把日珥支撑住。

日珥的运动规律

日珥的运动很复杂,具有许多特征。例如,在日珥不断地向上抛射或落下时,若干个节点的运动轨迹往往是一致的;当日珥离开太阳运动时,速度会不断增加,而这种加速是突发式的,在两次加速之间速度保持不变;在日珥节点突然加速时,亮度也会增加。对于这些现象还没有满意的解释。主要问题是:日珥的密度远大于日冕,但宁静日珥可长期存在于日冕中,既不坠落也不瓦解。是什么力量支撑和维持著它?活动日珥和爆发日珥的速度可高达每秒几百公里,动力从何而来?日珥运动往往突然加速,甚至宁静日珥会一下子转变为活动日珥,原因是什么?这些问题都有待于进一步研究。一般认为,除重力和气体压力外,电磁力在日珥运动中是一个重要因素。日珥运动状态的突变可能与磁场的变化有关。

分布

日珥在太阳南、北两半球不同纬度处都可能出现,但在每一半球都主要集中于两个纬度区域,而以低纬度区为主。低纬区的日珥的分布与黑子的分布相似,按11年太阳活动周不断漂移。在活动周开始时,日珥发生在30°~40°范围内,然后逐渐移向赤道,在活动周结束时所处的纬度平均约为17°。这比黑子区域的平均纬度始终高10°左右。至于高纬度区,日珥大约在黑子极大期过去三年后才出现,一直存在到黑子极小期。高纬度区的日珥并不漂移,都在45°~50°范围内。上述两个区域的

1992年日全食期间拍到的日珥分界约在纬度40°处。

日珥的数目和面积都与11年的太阳活动周有关,随黑子相对数而变化。但变化幅度没有黑子相对数那样大。

日珥的上升高度约几万公里,大的日珥可高于日面几十万公里,一般长约20万公里,个别的可达150万公里。日珥的亮度要比太阳光球层暗弱得多,所以平时不能用肉眼观测到它,只有在日全食时才能直接看到。

日珥是非常奇特的太阳活动现象,其温度在5000~8000K之间,大多数日珥物质升到一定高度后,慢慢地降落到日面上,但也有一些日珥物质漂浮在温度高达200万K的日冕低层,既不附落,也不瓦解,就像炉火熊熊的炼钢炉内居然有一块不化的冰一样奇怪,而且,日珥物质的密度比日冕高出1000~10000倍,两者居然能共存几个月,实在令人费解。

光谱

通过光谱分析,可以测定日珥的物理参数和化学成分,了解日珥物质的激发和电离状态,建立日珥的结构模型,并研究太阳辐射(尤其是日冕的紫外线和X射线)对日珥的影响。 日珥的光谱包括许多条发射线和暗弱的连续光谱。在可见区,主要的发射线是氢的巴耳末线(从Hα 起,最多已看到约40条线),此外,还有氦以及钙、铁、镁、钛、锶等金属的谱线。利用不同元素的谱线宽度,可求得日珥的温度约为7,000K,湍流速度约4公里/秒。从巴耳末线的数目和谱线轮廓的分析,都可得出日珥的电子密度约为每立方厘米1011个,日珥的物质密度也与此相近。

日珥发射线谱线展宽的主要原因是多普勒致宽和辐射阻尼;斯塔克效应的作用很小。巴耳末线的前几条以及钙的H、K等强线都受到自吸收的显著影响。日珥的连续光谱主要是从3646埃开始向短波方向延伸的巴耳末连续区。利用连续光谱的能量随波长的分布,也可以推算出日珥的温度和密度。

1973年5月发射的天空实验室,用特制的仪器在280~1350埃拍摄了大量的日珥和暗条光谱。在这个波段范围内的许多条发射线,有的(例如氢的赖曼系)来自日珥的低温(约10-4K)内核,有的(例如 CⅡλ1336埃和CⅢλ977埃)来自日珥与日冕之间的中介层(温度约105万K)。除光波外,日珥还发出射电波,在毫米波段已经有观测记录。

磁场

表明日珥具有磁场的事实是:

①活动日珥的运动轨迹和环状日珥本身都很象磁力线;

②日珥是一团温度较低(约7,000K)的等离子体,却能在高温(约106万K)的日冕中产生并长期存在,很可能是因为,具有隔热作用的磁力线严密地包围住日珥;

③日珥的物质密度比日冕高1000~10000倍,而能长期悬浮在日冕中不坠落和弥散,很可能是靠磁场来支持和维持的。从1960年开始,天文学家用太阳磁像仪测量日珥的磁场。

结果表明,宁静日珥的磁场强度约为10高斯,而活动日珥可达200高斯。宁静日珥中的磁力线主要沿水平方向,活动日珥的磁场结构较为复杂,爆发日珥的磁力线大概是螺旋状的。

日珥的观测结果

有幸看见过日全食的人,一定还记得那短暂而又壮丽的景色。太阳完全被月球遮住了,“黑夜”突然来临。在那个“黑太阳”的周围,镶着一个红色的光环,美丽极了,这就是太阳的色球层。天文学家形容太阳色球层像是“燃烧着的草原”,或者说它是“火的海洋”,那上面许多细小的火舌在不停地跳动着,不时的还有一束束火柱窜起来很高,这些窜得很高的火柱就叫做“日珥”。

日珥是太阳色球层上一种经常性的而且十分美丽壮观的活动现象。日全食难得一见,怎么样才能在平时也能观察色球研究日珥呢?天文学家利用日全食的机会,通过对太阳色球闪光光谱的观测,发现太阳色球层有几种特有的很强的辐射。最强的一种辐射是氢原子发射的波长为656.28纳米的红色光,简称色球的Hα谱线辐射。其次还有电离钙发射的波长为393.37纳米的深紫色光,简称K谱线,还有波长为396.85纳米的H谱线等。而太阳光球层的温度比色球层低,光球在这几个波长处的辐射几乎为零。天文学家利用色球层的这一特点,制造出色球望远镜。他们将只允许656.28纳米波长透过的滤光器(也叫Hα滤光器)安装在太阳望远镜的后部,这样,在望远镜的目镜里就看见了红色的太阳色球,好像一个熊熊燃烧的大火球,一个个鲜红的火舌在上面跳动,非常美丽壮观。因此太阳色球也叫Hα色球或者叫氢色球。

有了色球望远镜,天文学家就可以随时对太阳色球和日珥进行观察和拍照了。日珥绰约多姿,变化万千,有的像浮云,有的像喷泉,有的像篱笆,还有的似圆环、彩虹、拱桥,等等。日珥的大小不一样,一般高约几万千米;大大超过了色球层的厚度,因此,日珥主要存在于日冕层当中。通过对日珥光谱的分析和研究,已经知道它们的温度大约7000K[5]。

观察过日珥的人可能会发现,日珥都出现在日面的边缘。可并不是日珥仅仅出现在日面边缘。发生在日面当中的日珥,由于与背景为同一种颜色,所以我们看不出它们的存在。但是,我们可以看见它们在日面上的投影,是一些暗黑的条状物,叫做暗条。当这些暗条随着太阳的自转到达日面的边缘时,我们就能看见这些日珥了。

2013年

2013年,NASA太阳动力学天文台观测到太阳表面出现的巨大日珥,探测器拍摄到太阳日珥的情景,在太阳磁场线的作用下,此类强大的爆发可“悬停”在太阳表面数天甚至是数周。

2015年

2月9日太阳出现了有记录以来最长暗条,长度超过100万公里,比太阳半径还长。

这个暗条实际上是悬浮在太阳磁场中的炽热气体,如果暗条出现在太阳侧边,就成了高耸的日珥。暗条通常持续数小时到数天,截止2015年2月13日仍然存在。

日珥出现后,科学家正在追踪这不同寻常的结构,部分暗条可能随时都会崩塌或爆发,将会对地球产生影响。

太阳风暴发生时会向周围空间输出三种影响:电磁辐射直接影响地球向日面的大气层和电离层,对短波通讯造成干扰;耀斑爆发喷射出的大量高能粒子,会危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全;日冕物质抛射,则会引起地球强烈的磁场变化,届时地表电网可能过热,航空运输可能中断,卫星导航可能失去功能。

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