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太陽自轉與爆發日珥

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Academic year: 2021

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(1)

傅學海

國立臺灣師範大學地球科學系

在日常生活中,一般人對太陽的印象大 都停留在熾熱的發光圓盤,供給我們光與 熱。再不就是,太陽每天東昇西降,日復一 日、年復一年的運行不已。但是實際上,太 陽並不是如此單調,它遠比一般人所想的還 要複雜而且多彩多姿。 太陽,從古代便是泉所囑目的對象,也 是網路上最多資源的天體。美國、法國、日 本、義大利...各與太陽有關的大天文台都將 數十年來的觀測影像數位化,並且放在專厲 的網頁中;而環繞地球的太陽軌道觀測衛星 像蘇活號 (SOHO) 、翠絲號 (TRACE)

.

也將觀測的影像掛入專屬的網站。有關太陽 的觀測波段,從可見光、紫外線、 X 光、無 線電波... ,在網路上一應具全。 「太陽自轉與爆發日耳」單元便是利用 網路上豐富的影像資源,介紹太陽的多重面 貌,並利用太陽黑子來推算太陽表面自轉的 情形,以及利用爆發日耳的動態影像探討爆 發的速率。 太陽:由神祇降為恆星 太陽,提供我們光與熱的星球,自胡扯 來常是人們膜拜的對象。我國古時便認為太 陽代表天子,甚至有「天無二日,民無二君」 的法天論點。 人類觀測太陽的歷史源頭己無從考究。 由早期的巨石遺跡及出土的記載(例如巴比 倫古文明的模行文字) ,可以知道至少在四、 五千年以前,人類己經知道太陽在天上的運 行軌跡與季節之間的關聯。 有數千年之久,人類一直認為太陽與夜

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太陽黑子

在人類文明發展的數千年中,由於太陽 在天空中的運行與季節關係密切,所以一直 從此以後,太陽被當作觀測研究的對 象,持續的被觀測著。當無線電波、紅外線; 紫外線、 X 光...等觀測技術被發展後,也被 用來觀測太陽。如今,太陽是天文網路資源 中最豐富的。 晚閃爍的恆星不一樣,而將天體分為日、月、 星。直到歐洲文藝復興以後,經過哥白尼、 伽利略...等人的宣揚,地球繞太陽運行的觀 念被世人普遍接受以後,太陽才被當作眾多 的恆星之一。 當伽利略在 1610 年用自製的望遠鏡觀 察太陽時,發現太陽表面有許多暗點、暗斑, 稱為「太陽黑子」。伽利略觀察黑子的移動,情 形,認為黑子位於太陽盤面上,因此否定了 亞里斯多德學派認為「太陽是完美無瑕」的 理念。伽利略也由黑子的移動估計出太陽自 轉一周約須一個月的時間。 是太陽觀測的重心。男一方面,在望遠鏡發 明以前,對太陽本身的觀測,卻極有片斷、 少數的記錄,這主要是太陽本身明亮刺眼, 無法直接觀測。通常只能趁著清晨或黃昏陽 光比較弱時,觀察太陽。即使進入二十一世 紀,觀測太陽與太陽黑子仍然是十分有趣 的,且能從中獲得太陽自轉、黑子演化、太 陽活動...等訊息。 我國古代將太陽視為天子的象徵'因此 非常注重觀察太陽,如果太陽盤面上出現黑 色斑點,則視為聖德有虧,必須頒布減稅之 類的德政以為彌補。〈晉書﹒天文志﹒七曜〉 中清楚的表達了這種想法 :r 日為太陽之精, 主生養恩德,人君之象也。人君有瑕'必露 其以告示焉。...日中烏見,主不明,為 政亂,國有白衣會,將軍出,蛙旗舉。日中 有黑仔、黑氣、黑雲,乍三乍五,臣廢其主。 日蝕,陰侵陽,臣掩君之象,有亡國。」 中國文明起源於黃河流域的中原地區, 屬於黃土高原,常常黃砂瀰漫,陽光比較不 那麼刺眼,可以觀察到大型的太陽黑子。而 在清晨日出,或是黃昏日落的時候,陽光比 較柔和,可以稍微仔細的觀察太陽盤面,可 以輕易的看到超大型的黑子。 我國古代將太陽稱為「金烏」或三足鳥, 認為三隻腳的烏鴉住在太陽盤面上。在馬王 堆出土(註一)的吊衣上,在左胸部位便畫 有一幅呈紅色的太陽,中間一隻烏鴉(註 二 )o( 晉書﹒天文志〉中也提到三足烏: r 穆 帝永和八年(西元 352 年)日暴赤如火,中 有三足鳥,形見分明,五日乃止 J' 表示出現 一個連續五天都可以看見的巨型黑子。 伽利略手繪黑子 伽利略自製望遠鏡

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馬王堆串衣 馬王堆串衣 西漢史書《漢書﹒五行志〉記載 :r 河平 元年(公元前二十八年)三月乙末,日出黃, 有黑氣大如錢,居日中央。」是世界上公認 太陽黑子的最早記載。此後一千多年間,有 一百多次與黑子有關的紀載,大都紀為黑 氣、黑子... ,形狀則以李、桃、錢、卵、人、 鳥> ...來描述。例如《魏書﹒天象志>

:

r 孝 文帝太和二十三年(西元 500 年)十二月甲 申,日中有黑氣,大如桃。」。叉如《宋史〉 中紀載: r 高宗紹興六年十月(西元 1136 年) 圭戌,日中有黑子如李大,至十一月丙寅始 消」 西方在兩千多年前古希臘文明的黃金時 代,亞里斯多德學派認為太陽是完美無暇的 天體,不可能有黑子之類的瑕疵。如果有黑 影出現在太陽盤面上,也是水星之類的行星 從太陽前面經過所照成的。 伽利略在 1610 年用自製的望遠鏡看到 太陽黑子,他每天觀察黑子在太陽盤面上的 移動與變化,認為黑子確實存在於太陽表 面,打破了太陽是完美無暇的論調。繼而由 黑子每天的移動,確定了太陽本身具有自轉 的現象,藉此量出太陽表面自轉的週期大約 是三十天。從此以後,太陽黑子觀測被持續 而廣泛的進行著,分析太陽黑子的數量變 化、形狀與面積的演變,出現與消失的週期、 藉由黑子計算太陽不同緯度的自轉週期﹒... 等等。希望能了解太陽的本質與結構。 在伽利略觀雜太陽的同時期,也有許多 人使用望遠鏡觀察太陽黑子。除7 伽利略以 外,在史書上至少有兩個人:德國的湘耐爾

(Christopher

Scheiner) 與荷蘭的法雷克斯

(Johann Fabricius)

,宣稱是他們發現太肆黑 子的。伽利略冒著眼睛瞎掉的危險,直接用 眼睛觀察太陽;由於他最早所製作的望遠 鏡,口徑很小、放大倍率也低,因此眼睛沒 有受到重大傷害,但是伽利略的眼睛在晚年 時確實呈現半盲情形。而湘耐爾卻是使用將 太陽影像投影到幕上來觀察的安全方法,這 也是後來數百年所使用的投影法。 MAC冗長駁說伯拉叫:FAffr

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這叫 CD@OOOOO@

手繪黑子移動圖 在二十世紀以前,對太陽的觀測幾乎都

(4)

集中在描繪黑子的形狀與分佈,經過長期累 積的觀測,了解黑子的形狀與數量時時在變 動中,也發現了黑子常成群出現,超過百分 之六十的黑子是成對的。德國業餘天文家史 瓦伯 (Heinrich

Schwabe'

1789-1875) 在 1826 年開始觀測太陽黑子,經過十八年的觀測, 在 1843 年提出兩項重要的發現: (一)黑子數量的多寡不是隨意的,而是有 十年週期性的循環,後來經過許多人

l h l i j i l l

j

進一步驗証,証實黑子數確實有平均 十一年左右的週期性變化。最少時, 可能一個月都看不到一個黑子,稱為 「極小期」或「低潮期 J '最多時,可 連上百個黑子,稱為「極大期」或「高 潮期」。後來的觀測也發現太陽各種活 動都與這個周期相關,因此稱為「太 陽活動週期」。 台北市立圓山天文台從 1948-1989 年共四十一年間, |圖。(一表 Wolf 相對數曲 牟代

|

|線, ...表平滑曲線)

-(二)黑子出現的位置也有規律性,在黑子 極小期時,黑子出現在南、北緯約 35 度處,一年年過去,黑子數量漸多, 所在位置也逐漸向移向赤道,在十一 年週期的尾聲,黑子在赤道附近出 現,循環不已。把黑子所在的緯度與 對應的時間所作的圖形,外觀有如蝴 蝶,因此這種黑子由高緯向低緯偏移 的圖像,叉稱為「蝴蝶圖」。 但是只獲得少數人的注意,隨後德國天 文學家 (Alexander

von

Humboldt) 在 1851 年出版的《宇宙> (Kosmos) 一書,將史瓦 伯有關黑子數量變化週期的結果刊載其中, 而使得太陽黑子數量有十年週期一事廣為人 知,書中的紀錄也擴張到 1850 年。 黑子蝴蝶圖 史瓦伯在 1843 年的發表,吸引了吳爾夫

(Rudolf Wolf

,

1816-1893) 的注意,促使他 在 1847 年開始觀測太陽黑子。為了要有效估 算黑子的數量,吳爾夫在 1848 年提出了稱為

(5)

蘇黎士黑子數(

Zurich sunspot

number) 的計 算方式,現在一般稱為「吳爾夫相對數J' 一 直到今天仍在使用。 吳爾夫相對數 在每幅太陽影像中,所有看到的黑子 總數為 f' 以及黑子群數 g' 則黑子相對 數為

R = k

(lO

g

+

f)

,

其中 k 代表校正參數。校正參數隨觀 測者、望遠鏡及其他觀測條件而不同。國 際上公認瑞士蘇黎士天文台的 k 值為 1 。 在十九世紀末與二十世紀初期,美國天 文家海爾(

George Ellery Hale' 1868-1938)

發明許多儀器來觀測太陽,其中最主要的成 就是在 1908 年提出太陽黑子具有很強的磁 性。隨著觀犯的觀測,發現太陽表面與黑子 都真有磁性,而且南、北兩半球的成對黑子 的磁性相反,也就是說,如果一對黑子位於 北半球,其前導黑子與尾隨黑子的磁性為 南一北磁極,則南半球的成對黑子磁性則為 北一南磁極。長期觀測顯示黑子對的磁性約 十一年後反轉,所以配合黑子的磁性,太陽 黑子週期約為二十二年。

太陽表面大氣:光球、色球與日冕

在一般人的印象裡'太陽如同火球,是 個明亮耀眼的圓盤;清晨、黃昏時太陽,帶 著明亮的火紅,常是詩人詠歎的對象,r 夕陽 無限好,祇是近黃昏」更是艙炙人口的名句。 這個平常所看到的太陽圓盤,天文家稱為「光 球 J' 是太陽的表面大氣之一,溫度約為攝氏

6000°C

'厚約四百公里。

我茵古時以太陽代表天子,所以非常注

意觀察太陽的表面,在日出、日落時分,或 是沙塵瀰漫的時節,可以直接用眼睛觀察太 陽,有時會看到太陽盤面上有狀如桃、李或 不規則形狀的黑點或黑斑,也就是黑子。一 千多年來,史書上有兩百多次有關黑子的記 載; 1610 年伽利略用自製的望遠鏡觀察太 陽,發現太陽表面有黑子,了解黑子在太陽 盤面上是很平常的,而肉眼祇能看見巨型的 黑子群。經過三百多年的觀察,對黑子群的 分類,演化與各種性質已相當了解。 黑子磁性圖

(6)

黑子本影與半影、米粒租織 許多黑子中央有很黑的「本影 J' 周圍環 著較淡的「半影」。黑子溫度約 4000°C '應 該十分明亮,但是在 6000°C 的光球襯托下, 看起來較暗而成為「黑子」。物理學家知道物 體的光譜譜線在磁場下會分裂為兩條或三 條,磁場越強分裂的程度越大, 1908 年美國 天文學家海爾 (Hale) 利用這原理觀察太陽 黑子的光譜,發現黑子真有磁性,有些黑子 的磁場強度可達到00 高斯。由於黑子區的磁 場很強,迫使氣體治著磁力線移動而不擴 散,這須要耗掉一些能量,所以黑子區的溫 度比周圍沒有磁場的區域低很多。 黑子常成對出現,而一對黑子中,彼此 的磁極剛好相反。黑子的數量、大小與太陽 表面的磁場變化有密切的關連。小黑子祇有 幾天的壽命,典型黑子的生命期約有數週, 而巨型黑子的生命期可達七十幾天。典型的 黑子剛出現時是個小點,幾天後面積擴大、 顆數變多,外形也趨向複雜,一週左右進入 成熟期,持續幾天或幾週再逐漸變化成為小 點或數個小點,而後消失。 光球上除了太陽黑子外,還遍佈呈顆粒 狀的「米粒組織 J' 看來有如沸騰的水面起伏 擾動不已。光球之下是對流層,在對流層產 生的對流胞浮到光球就形成米粒組織,直徑 約為一千公里;米粒組織的中心亮區比邊界 晴區高 300°C 。在持續拍攝的照片中,可以 看見米粒組織在幾分鐘內形成、消失、再形 成循環擾動不已。任何時刻,太陽表面隨時 都存在百萬個米粒組織。由於米粒組織太 小,在地面上觀測受到地球大氣的擾動,很 難得到米粒組織的清晰影像;天文學家大多 利用高空氣球或人造衛星來觀測。 在日全食過程中,月球遮住整個明亮光 球的短短幾分鐘內,太陽的邊緣呈現一國淡 淡的紅色,由光譜等測知,這厚約三千公里 的大氣層與光球不同,稱為「色球」。色球的

(7)

總亮度祇有光球的千分之一,所以平常無法 看見。色球的溫度由底層的 4200°C 上升到頂 層的 8200°C '在這環境下,氫原子發出很強 (稱為 Hα 譜線)的紅光,天文學家常用祇 讓 Hα 光通過的濾鏡來觀測色球上的現象, 而不需要再等到日全食的時侯。 色球與絲狀體 色球盤面上有許多暗長條的「絲狀體 J ' 邊緯則有許多火炎般的突出物一日耳。絲狀 體其實就是日用,在盤面較明亮的背景襯托 下呈現晴條狀,但在邊緣日耳突出到較暗的 天空背景中,便呈現出火炎般的明亮。日耳 是溫度較低的電漿,常浮在磁場兩極區域間 的上空,或治著磁力線浮在色球上。日耳中 的物質,有的從色球上升,也有從日冕下沉 而來,在連續拍攝的影片中,可見日用中的 物質治著弧線或呈波狀上升或下降。 日耳一般分為寧靜日耳與活動日現兩大 類: 寧靜日耳:多為絲狀體之類,像巨大的 拱橋連綿幾十萬公里,外觀結構比較安定, 變化和緩,有些拱橋結構可以持續幾十天。 活動日耳:幾天內已有明顯變化,有些 「爆發日耳」從發生到結束不過幾十分鐘到 幾小時,爆發的速度可達每秒幾百公旦。 寧靜日耳 另外,多數巨型而結構複雜的黑子群 中,常出現短暫而劇烈的閃光現像,稱為「閃 焰 J (flare) 。發生閃焰的瞬間溫度可高達攝 氏一億度,過程非常類似氫彈爆炸的現像。 磁能儲存在磁場中,經由目前還不完全明瞭 的過程,被繃緊的磁場突然鬆抽而釋放巨量 的能量,便發生閃焰。一次大閃焰在幾秒鐘 內釋放出來的能量,相當於十億顆百萬噸級 的氫彈爆炸。在此劇變中,部分能量酒落在 光球上,也向行星際空間中噴射出多至百億 噸的物質。

(8)

閃焰 明 Hα 濾鏡拍攝的色球照片中,矗立著 許多草叢般的晴條紋 針狀體,是太陽表面 噴射一般上升的氣體。典型的針狀體以每秒 二十公旦的速率上升,到達七千公里的高度 後崩潰,在幾分鐘內消散。針狀體一般侷限 在「超米粒組織」的界限間,超米粒組織直 徑約三萬公且,含有幾百個普通的米粒組 織。超米粒組織是太陽內部較深處所形成較 大的對流胞,升起到色球層後冷卻再水平輻 散移向邊界,再沉入太陽內部;在這些邊界, 底下的磁力線得以竄出形成針狀體。 溫度比 8200°C 更高時,氫原子成為游離 狀態,不再發射紅光,氣體溫度在很窄的高 度範圍內(稱為過渡層,

transition

zone) 陡 地上升到攝氏百萬度以上,而進入目冕的區 域。 日全食時,天空晴下來像晚上一樣,在 太陽四周呈現一圈珍珠般的白色光茫,向外 伸展幾百萬公且,稱為「日冕J '在高品質的 照片中,可見許多日冕流如輻射條紋般向外 伸張遠達六個太陽半徑處。日冕是太陽的最 外層大氣,密度非常稀薄,還不及地球海平 面大氣的百萬分之一。和色球一樣,平常看 不見,除了在日全食的短短幾分鐘來觀測 外,天文學家也用日冕儀在高山上觀測,或 用人造衛星在地球大氣層外觀測。 在日冕的光譜中發現許多明亮的譜線, 是高度游離化的元素所發出的譜線,如OIII (氧游離兩個電子)、FeX( 鐵游離九個電子) 等譜線,表示其溫度約為攝氏一百萬度~攝 氏三百萬度。溫度雖高,但由於密度非常稀 薄,所以亮度非常低,祇有光球的百萬分之 一。色球與日冕的溫度遠比光球高,是光球 上的磁場與擾流的作用往上加熱的結果,但 是太陽物理學家仍然不清楚其中的過程。 美國利用太空實驗室或環繞地球的 'X 光軌道天文台」來觀測太陽的內層日冕'太 陽的 X 光影像佈滿許多亮區與亮點,都是內 層日冕高溫區,常在黑子上方;而明亮的弧 線則反映了磁力線的分佈。另外還有一長條 不發出 X 光的黑暗區域,稱為日冕洞,是太 陽磁力線開放處,也就是說,磁力線由日冕 洞向太空延伸,並不會再回到太陽本身;電 子、質子等帶電粒子就由日冕洞以每秒六百 公里的高速流出,形成太陽風。

(9)

日冕洞 註一:馬王堆西漢古墓 湖南省博物館與中國科學院考古研究所 大陸考在一九七二年挖掘「馬王堆」一號古 墓,兩年間陸續出土二號與三號古墓。位在 長沙東郊五公里的這處古墓,經證實是漢初 長沙國丞相車侯利蒼家族所有,其中一號墓 所葬的利蒼夫人,經過兩千多年還保存完 好,成為轟動國際的重要考古發現。 此外,出土的還有吊畫、竹簡、木贖、 地圖、吊書、漆木器、絲麻織物、兵器、樂 器、木俑、穀物、水果、草藥等三千多件實 物。

其仁戶長沙馬王堆一號漢墓出土 T 字形

「非衣 J' 係哥大侯利倉之妻蓋棺的吉祥物。畫 面分天朝、人間、地府三段,左胸部位為金 鳥。

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