第六章、光球活动和磁场

内容

6-1 太阳活动区6-2 太阳黑子的观测特征和分类6-3 光斑、谱斑和小磁度磁场6-4 太阳活动起源与发电机理论

6-1 太阳活动区

主要的太阳活动现象

• 黑子、光斑、谱斑、日珥（暗条）及日冕凝聚区等结构。

• 太阳光谱的极紫外、紫外、 X 射线和射电辐射的渐进或爆发式的增强，如耀斑、射电暴等。

• 太阳等离子体的运动和抛射以及高能粒子的加速等，如日冕物质抛射 (CME) 、太阳高能粒子事件 等。活动区：太阳各种活动现象集中的强磁场区域。磁能的存储和释放，以及磁场的拓扑结构控制着不同的活动现象。

典型活动区的发展史

• 1 天：日面出现一个亮点， H纤维的系统排列，出现光斑和谱斑，小黑点在谱斑中出现。

• 2 天：小黑点发展为前导黑子。• 3 天：黑子半影出现。• 4-5 天：极性相反的后随黑子出

现，形成黑子群。第一个耀斑爆发。光斑和谱斑的亮度和区域不断扩展。

• 2 周：黑子群发展到最大阶段，太阳活动最显著。

• 4-5 周：黑子逐渐消失；谱斑区域继续扩大；耀斑稀少；暗条出现。

典型活动区的发展史

• 2 个月：遗留的前导黑子消失；光斑区域的亮度减小；磁场分布极不规律；暗条不断增大，近似东西向排列。

• 3-4 个月：光斑区域消失；磁场强度继续减小；暗条达到最长，基本平行于赤道。

• 5-6 个月：活动区磁场仍可测量，逐渐消失在太阳大尺度磁场中；暗条仍可见，最后移向极区或分解、爆发消失。

6-2 太阳黑子的观测特征和分类

一、太阳黑子的形态和结构1. 单个黑子

本影

半影

高分辨率的观测表明，在本影中存在类似米粒结构的亮点，说明对流没有被磁场完全抑制。

亮桥

一、太阳黑子的形态和结构

2. 黑子群

前导黑子

后随黑子

西东

一、太阳黑子的形态和结构

3. 发展过程、寿命• 形态由简单变复杂，

再变简单• 寿命：短的 1-2 天，

长的几个月，一般10-20 天

4. 黑子是活动区的核心和最明显标识。

一、太阳黑子的形态和结构5. Evershed 流 : 在黑子半影中观测到的从黑子中心

持续向外的水平流动，已有 100 多年历史。

Hinode卫星观测的 Evershed流

本影

半影

M. Franz, ’On the surface structure of sunspots’, Astronomische Nachrichten, 333, Vol. 10, pp. 1009 (2012)

二、黑子群的分类

1. 黑子群的磁分类

型 单极群，极性相同的一个或一群黑子（ 46% ）

型 极性相反的一对或一群黑子，前导和后随黑子的极性相反。（ 53% ）

型 复杂群，黑子群中的极性分布不规则。（ 1% ）

型 同一半影中又彼此相距在 2° 以内的异极性黑子。

二、黑子群的分类

2. 黑子群的楚里士分类

不考虑黑子磁场的性质，仅根据黑子形态结构的复杂性，进行分类。

示意图 实际观测

三、黑子的磁场分布

1

00

( ) 1r

B r Br

r0: 黑子半径

北京怀柔观测台观测的黑子磁图

太阳黑子的磁场模型。一般认为在光球层下，黑子磁场可能由一些尺度更小的磁通量管组成。

(a) (b)

MHD 三维模拟得到的黑子磁场精细结构 .http://www.hao.ucar.edu/research/lsv/lsvSunspotsBackground.php

四、黑子磁场的形成和衰减1 、黑子及太阳表面强磁通量管的形成。

a. 磁浮力。

2

8 i e

Bn T n T

光球B

B

B

(b) 磁通量管上升后在水平方向上，磁通量管内外压力平衡，导致等离子体管内密度小于管外密度，管获得一向上的浮力。

2

( )8

He i

m g BF g

kT

浮

光球

B

(a) 磁通量管上升前

F浮

黑子浮现形成过程示意卡通 .

三维 MHD 模拟的磁通量从光球层下浮现形成一对双极性黑子的过程 .

四、黑子磁场的形成和衰减1 、黑子及太阳强磁通量管的形成。

a. 磁浮力。b. 对流涡旋的磁驱逐。

B B

vv

在光球层，由于冻结效应，并且等离子体的比较高，超米粒元胞的对流速度场将把磁场扫荡驱逐到元胞边界的汇聚流中心，在元胞边界形成强的磁通量管结构。

四、黑子磁场的形成和衰减1 、黑子及太阳强磁通量管的形成。

a. 磁浮力。b. 对流涡旋的磁驱逐。c. 磁通量管的对流塌缩。

如果磁通量管中的温度梯度超过绝热变化的温度，将导致对流不稳定性。如果磁通量管中的等离子体主要体现为向下的运动，不稳定性将会使管中的等离子体被逐渐抽空。为了维持管内外的压力平衡，磁场必然向管内收缩，导致通量管磁场强度的增强。

0Z

0Z

0T

0T

( )adT Z

T

Z

( ) ( )i eT Z T Z

o

BB

磁通量管中的对流塌缩不稳定

四、黑子磁场的形成和衰减2 、黑子磁场的衰减。

a. 磁流管缩回到光球下面。b. 随太阳风抛射到行星际空间。c. 磁能转化为热能和物质运动动能而耗散掉。d. 磁场的扩散和对流输运。

五、 Wilson效应和凹陷• 对一个对称的黑子，当它在日面边缘时，其靠近

日面边缘的半影宽度比远离边缘的半影宽度要宽。

• 物理解释：

在日面中心观测到的黑子光深 =1 对应的几何深度随黑子半径的变化。

在日面边缘的情况

h

1 在光球

1 在本影

0'A AN'N

半径

' 'AN A N

AN'N'A

半径0

日面边缘

' 'AN A N

六、黑子的活动规律和周期

1.黑子的相对数与太阳活动周期

1848 年 Wolf 首先提出用黑子相对数来表示日面可见半球黑子多寡，其定义为

R = K (10 g + f )

其中 g 和 f 分别表示当天观测到的日面上出现的黑子群和黑子数， K 为换算因子。

黑子活动周期： 11年

Maunder极小期

六、黑子的活动规律和周期2. Sporer定律和 Maunder蝴蝶图

日面出现黑子群的平均纬度随太阳活动周的进程而变化。

六、黑子的活动规律和周期3. Hale 极性定律

在同一活动周中北半球双极黑子群的前导黑子与南半球的后随黑子为同一极性；北半球双极黑子群的后随黑子与南半球的前导黑子为同一极性。在下一活动周，南北半球双极群的极性顺序发生变化。

6-3 、光斑、谱斑和小磁度磁场

一、光斑

• 光斑：用白光观测光球时，在黑子周围看到的一些比宁静光球明亮的小片区。

一、光斑– 位置：在日面 0.6R <r < 1R 的边缘区域，增亮 5-10% 。– 精细结构：由大量直径小于 1`` 的亮元组成。在活动区附

近的亮元非常密集，形成光斑亮区；在活动区外，亮元稀疏分布成网络状，形成光球网络，它们与光球磁场网络对应。

– 磁性质：至少在 1`` 的尺度上，光斑亮点与磁图中的磁元在位置上是对应的。

– 温度、密度：相同光学深度： （ T, ) 光斑 > （ T, ) 光球

相同几何深度： （ T, ) 光斑 < （ T, ) 光球 ,( 维持内外压力平衡 )

二、谱斑• 谱斑：用色球的发射线观测色球时，在单色像

上看到的大片亮区，是光斑向上的延伸。

磁性质：与中等强度的磁场伴生（ 20-200Gauss) 。

增亮原因：非辐射能的耗散加热。

三、小尺度磁场

• 小尺度磁场：尺度小于超米粒组织大小的磁场结构。– 三种：瞬现活动区；网络场；网络内场

黑子磁场 小尺度磁场

网络磁场

太阳小尺度磁场的基本特点

结构名称 位置 起源 磁场极性 运动特征 磁场强度（ Gauss)

磁场流量及贡献

（ MX ）寿命

瞬现 活 动区

新磁 通 量浮现 双极性

两极性反向运动，通过磁流合并或磁对消消失。

50-3001018-1019

(10-15%)

~1 天 (宁静区 ) ，6-8 小时( 活动区 )

网络磁场 超米粒边界

活 动 区 磁场 的 衰 减 ，超米 粒 对流 的输运 。

某一极性为主（与邻近活动区或冕洞磁场极性相关）

很慢(10-100

m/s)20-200

1018-1019

(60-70%)> 1 天

网络内场超米粒元胞内

新磁 通 量浮现

平衡的多极性

由超米粒元胞内向边界运动n*100m/s

5-25,

<40

1016-1018

(15-30%)

几分钟 ~

几十分钟

SDO/HMI 观测的日面磁图（ 20121021 ）。

6-4 、太阳活动起源与发电机理论

• 太阳活动的起源问题，本质上就是太阳表面磁场的起源及其规律性的解释问题。

• 观测： Babcock 于 50 年代观测发现1. 太阳两极存在微弱的磁场；南北极性相反；在太阳活动

高年，南北极性反转。2. 双极活动区的前导和后随黑子（群）的磁流几乎相等；

活动区磁场依靠扩散减弱，存在前导部分向赤道扩散，后随部分向极区扩散的倾向。

• Leighton 在 1969 年，在 Babcock 的经验模型基础上，进一步对前导和后随黑子极性分离导致极区磁场极性转换的现象进行了理论阐述。

Babcock-Leighton学说本质：太阳偶极磁场与太阳较差自转的相互作用。(1) 、太阳活动极小期的前 3 年 (n=-3) 。

太阳表面只在两极存在微弱的偶极场，磁力线只在纬度大于 55 度的区域穿出太阳表面，在其它纬度，磁场仅存于太阳外壳层中。总磁通量约为 81021 Mx 。

00

0

sec ( 30 ),

5Gauss;

A=Bcos

B B

B

(2). 从极小年前 3 年到极小年 (n=-3 至 n=0) 。由于太阳大气的较差自转，将偶极场的磁力线拉伸，

磁场强度逐渐增强。

214.38 2.17 sin

035.2( 3) sinB n B

(3). 磁流管升浮成为黑子 (n=0 至 n=11) 。当磁场强度达到临界值时，由于磁浮力，磁流管开始

上浮。当他们到达太阳表面时，成为一个双极黑子。2

( )8

He i

m g BF g

kT

浮

sin 1.5 / ( 3)n

临界值：

264GausscB

黑子出现的纬度：

(4). 偶极场的极性反转 (n=0 至 n=8) 。双极活动区的后随部分向极区扩散，前导部分向磁道扩

散，导致原来偶极场的逐渐被中和，并形成极性相反的新偶极场。

Leighton 的随机行走磁场扩散理论模型

Leighton 于 1969 年提出，根据磁冻结效应，太阳表面的对流运动将带着活动区磁场逐渐往周围扩散，这一过程可以用类似原子的随机行走理论模型描述。经过时间 t 后，原子与出发点的距离为

1/2 1/2r LN t

其中 N 为单位时间内经受的横向推拖次数， L 为每次推拖的平均路程。根据观测， L 和 (N-1 ) 可以分别取为超米粒的尺度和寿命。 Leighton 进一步用下面的扩散方程讨论磁场在球面的分布：

2 21,

2

nD n D L N

t

其中 n 为磁流管的面密度。计算结果表明，处在中纬度而且相对赤道略微倾斜的双极活动区，其后随极性向极区的扩散率可以在半个活动周的时标内中和极区磁场。

可以成功解释的现象：–Sporer纬度迁移定律；–Hale 极性定律；–黑子相对数的变化规律；–偶极磁场极性的反转；–大部分黑子群为双极群；–黑子群基本沿东西延伸且前导部分靠近赤道；–双极黑子群前导部分和后随部分的磁通量相

等；–黑子群磁场的扩散。

太阳发电机理论简介

磁场随时间的增长和衰减满足感应方程

如果一个发电机的过程能够维持磁场的存在，则要求等离子体 横越磁场的速度具有足够大的幅度和适当的几何位形，使方程右边第一项能够抵消第二项的欧姆耗散。

太阳发电机理论，就是在现有的太阳速度场（主要是较差自转、对流以及子午环流等）条件下，寻求可以形成太阳的极向磁场和环向磁场之间可以不断相互转化的磁场解。

原则上，我们必须求解完整的 MHD方程组，考虑磁场和等离子体运动的相互影响。但在实际中，要做到这点，往往比较困难。

2( ) mt

B

v B B

环型场 (toroidal field) 和极型场 (poloidal field)

一个被绝缘体包围的导体球，可将磁场的失势 A 分解为平行于半径和垂直于半径的两部分

( )T P T P A r r r r

1 ˆ ˆ( )sinT

T TT

B r θ φ

分别称为环形磁场和极型磁场。其中 , 环型磁场没有径向分量 , 极型磁场具有径向分量 , 磁力线可以从导体球延伸到球外空间。

这两部分对应的磁场为

2

2

1 1ˆ( ) sin

sin sin

1 ( ) 1 ( )ˆ ˆsin

P

P PP

r

rP rP

r r r r

B r r

θ φ

反发电机定理并不是所有的流体运动形式都能够维持发电机的过程，如：

一个纯环型速度场并不能产生极型磁场。2( ) mt

B

v B B

2( )( ) mt

r B

r v B r B

2( ) ( )( ) ( ) ( )m

dv

dt t

B r B rB r B v r B r

如果速度场只有环型场，则 , 上式变为扩散方程， 磁场的径向分量 将按指数衰减，而极型磁场必须有径向分量。但是，不存在普遍的反发电机定理。

0 v rB r

运动学发电机理论

• 20世纪 50 年代到 60 年代，人们对运动学发电机理论进行了深入的研究，其目的在于寻找可以产生稳定磁场或增长磁场的速度场。

• 之所以叫“运动学发电机”，是因为流体速度场是事先给定的，然后要问：在这样的流场中，一个初始磁场是随时间减小到零呢？还是增长到无穷大？抑或保持不变？它不要求速度场满足流体动力学方程，因而不考虑磁场对速度场的反馈作用。这意味着，一个随时间增大到无穷的磁场解，对于运动学发电机来说，也是一个合理的解。

运动学发电机中磁场增强的机制──效应和效应 • 一些基本的科学概念往往是借助于简单而本质性的物理图象，通过合理的逻辑推理而得到的。在真正动手求解复杂的方程组之前，构想这样的概念是非常重要而有用的，它可以使人们事先对结果有一个大致的估计。

• 在运动学发电机理论中， “效应” 和 “效应”就是借助“冻结磁力线”这一直观的物理图象所得到的重要概念。前者给出极型磁场通过流体的差动旋转而产生环型磁场的机制，后者给出环型磁场 ( 或极型磁场 ) 通过流体的对流和太阳自转作用产生极型磁场 ( 或环型磁场 ) 的机制。以这两种

过程为基础，构成了 “发电机”、“ 2发电机”、“ 2发电机”等重要的运动学发电机类型。

效应– 假设太阳中有一个在子午面的极型磁场，由于太阳的较差自转，极形磁场的磁力线将被差动旋转的运动流体拖动而偏离子午面，在极形场之外又产生了一个环型场。这就是“效应”。

效应– 与效应相反的另一种效应叫“效应”，其来自于径向的对流场

和科里奥利力的作用。通过这种效应，既可由环型场产生极型场，也可由极型场产生环型场。

太阳磁场的发电机理论模拟，模拟结果表明太阳磁场的演化和太阳对流层的较差速度场、子午环流等密切相关，特别是在对流层底部和辐射层之间（称为 tachocline, 差旋层）存在的角向速度场的径向梯度（或不均匀性）对太阳磁场的发电机过程具有重要作用。

• 更多的讨论可以参考综述文章：Living Rev. Solar Phys. 7 (2010), 3http://www.livingreviews.org/lrsp-2010-3Dynamo Models of the Solar CyclePaul Charbonneau