太阳光球磁通量南北不对称研究.doc

太阳光球磁通量南北不对称性研究摘要 运用统计方法系统研究了1978-2002年太阳光球磁通量南北不对称性变化特征，发现其与太阳活动周有关。不对称值在太阳活动极小年要明显高于太阳活动极大年，并且磁通量变化总是由上升段的北半球占优逐渐过渡到下降段的南半球占优。另外运用小波变换方法详细讨论了这种不对称性变化可能存在的周期信息。关键词 太阳物理：磁通量，南北不对称性1 引言太阳活动的南北不对称性（ANS）是太阳活动的重要特征之一。早在1904年，Maunder就注意到黑子南北纬分布存在差异性1。1955年，Newton等2通过分析1833-1954年黑子相对数和黑子面积资料，证实了这种不对称性，并引起广泛讨论，其中包括对耀斑、日珥、射电暴、日冕绿线等等各种活动现象的统计工作。表1 一些作者对太阳活动南北不对称性的分析结果Table 1 Analyzed results of the asymmetry of solar activity obtained by some authorsAuthorYearDataResultReferenceHoward1974total magnetic flux（1967-1973）a higher level of activity in the northern hemisphere3Hansen1975filament（1964-1974）the dominance of solar activity shift from the northern hemisphere to the southern one4Roy1977major solar flare events（1955-1974）a higher level of activity in the northern hemisphere5Yadav1980solar flares of different importances（1957-1978）in favor of the northern hemisphere before 1970 and in favor of the southern hemisphere after 19706Verma1987major flares（solar cycle 19-20）in favor of the northern hemisphere obviously7Verma1987major flares、type II radio bursts and other solar activity indices（solar cycle 19-21）in favor of the northern hemisphere during solar cycle 19 and 20 and in favor of the southern hemisphere during solar cycle 218Ozguc1987green corona brightness（1947-1976）the dominance of solar activity shift from the southern hemisphere to the northern one9Vestrand1987-ray flares（1980-1986）in favor of the southern hemisphere obviously10Oliver1994sunspot area（1983-1993）the dominance of solar activity shift from the northern hemisphere to the southern one during solar cycle 2211Li, K.J.1998X-ray flares（1987-1992）a higher level of activity in the southern hemisphere12目前，对太阳活动ANS的研究主要侧重在两个方面，其一是研究某时段某类现象的发生频次到底哪个半球占优，其二是研究ANS的变化是否存在某种共同规律。对于前者，表1简要地列出了部分作者的分析结果，它表明同一时段太阳上各种活动ANS变化基本一致；对于后者，Carbonell等13指出，太阳活动ANS变化具有很高的统计意义。Howard3详细讨论了光球磁通量在纬度上的分布，发现其ANS在高纬地区值较大，而低纬地区值较小。Ozguc等9用日冕绿线资料得到类似结果。不过人们对ANS这种在纬度上的变化还有一些争议，例如李可军等14分别统计了1957-1998年活动日珥在南北半球高纬和低纬地区的分布情况，发现低纬地区ANS显著而高纬地区ANS微弱。同样，围绕ANS与11年太阳活动周的相关关系也有许多说法。1977年Roy考察大耀斑与大黑子等现象的发生频次时认为ANS与太阳周不相关5，1985年Knoska也认为耀斑指数的ANS和太阳周的关系不能用单一函数描述清楚15。Vizoso和Ballester两次研究太阳活动ANS的变化，他们发现极小年ANS表现较强，极大年ANS符号将发生反转（即从一个半球占优过渡到另一个半球占优），说明ANS同太阳周存在一定相关性，只是相位有所不同16,17。另外，关于ANS的周期性分析也较多，其中典型的周期有25.5天（含25.5天的倍数）和80年18-21等。太阳活动ANS的变化能够影响行星际磁场（IMF）的拓扑结构、改变日球上电流片的位置和调节各种宇宙射线流量等等，因而其在行星际空间环境领域是一个不容忽视的因素。同时，它作为太阳活动规律的一部分，对人们深入了解太阳推动发电机理论发展都有十分重要的参考价值。本文利用1978-2002年美国国家天文台基特峰太阳综合磁图资料系统研究了太阳光球磁通量ANS的变化特征。因为磁通量在一定程度上能够反映出太阳活动的整体水平，所以我们认为其ANS的变化信息将比其他各种活动现象都更具有代表意义。2 磁通量的南北不对称性本文原始资料来源于太阳综合磁图（NSO/Kitt Peak）。其中每幅磁图跨越的时间是一个卡林顿自转周，横向上等分为360份，纵向上按正弦长度等分为180份；在360x180的像素网格中，每个像素对应光球表面的面积是相同的，像素的值代表了其相应位置的磁场强度（单位：Guass），如图1所示。图1 卡林顿自转周第1968周太阳综合磁图（NSO/Kitt Peak）Fig. 1 The solar magnetic synoptic chart of NSO/Kitt Peak of Carrington rotation number 1968在计算磁通量时，由于两极磁场较弱，加上显著的投影效应，造成测量误差较大，所以我们只选取南北纬60度之间的区域进行计算；另外，我们设磁场强度阈值为25G（即小于25G的像素都按零处理），这是因为25G这个值大致将活动区磁通量与宁静区以及网络磁场磁通量区分开来了22。图2（a）和（b）分别显示了1978-2002年（卡林顿自转周1666-1985周）太阳南北半球磁通量变化情况。为了研究磁通量ANS特征，我们用以下公式定义其ANS值： , （1）其中，N和S分别指北半球和南半球磁通量。关于A的演化信息详见图2（c）。图2 太阳南北半球磁通量与其南北不对称性演化图（a：北半球，b：南半球，c：不对称性）Fig. 2 The evolution of solar photospheric magnetic flux in both hemispheres and its corresponding north-south asymmetry (a: northern hemisphere, b: southern hemisphere, c: north-south asymmetry)在图2（c）中我们发现磁通量ANS变化十分复杂，这主要体现在幅度的剧烈抖动和符号的频繁转移上。我们利用基于二项式分布的统计方法对每个太阳周ANS做进一步分析，观察其南北分布是否只是一个随机过程。引入估计参量P(n,d)，其定义式如下： , （2）其中n为质样总数，d为某事件发生次数。一般而言，如果P10%，表明该事件没有统计意义；如果5%P10%，表明有统计意义，但不明显；如果1%P5%，表明有明显统计意义；如果P0时，北半球占优；当A0时，南半球占优。于是d可以选取占优半球所含有的质样个数。每个太阳周具体的划分时段和各项统计参数的值以及最终结果均已详细列在表2里面。按以上叙述，第21太阳周下降段与第23太阳周上升段ANS均表现有明显的统计意义，前者是南半球占优，后者是北半球占优，而第22太阳周全周范围近乎没有统计意义。为了更好地对照，我们将第22太阳周也分成上升段（卡林顿第1771-1824周）和下降段（卡林顿第1825-1917周）进行分析（选择卡林顿第1824周作为分界线是因为此时黑子数达到最大），结果发现第22太阳周上升段北半球稍微占优（P=0.0668），而下降段南半球占优十分显著（P=0.00173）。因此，我们认为谈论某个太阳周活动到底是南半球占优还是北半球占优意义不是太大，近两个太阳周的分析表明，磁通量ANS变化总是由上升段的北半球占优逐渐过渡到下降段的南半球占优，如果从整个太阳周总体平均来看，其ANS的统计意义不是十分明显，这点同Garcia的结论是一致的24。下面我们利用线性拟合的方法讨论磁通量ANS的变化趋势。图3分别显示了每个太阳周ANS的变化情况，直线是其对应的趋势线。可见图中每条直线的斜率都是负数（具体大小为-3.3x10-3、-1.7x10-3和-1.2x10-3），代表了前面所述的ANS由北向南的演化规律。另外，我们还分别计算了每条趋势线的零点位置（它代表了ANS符号反转的发生时间），发现它们无一例外地出现在太阳活动极大年附近（具体时间为1980、1990和2003年）。诚然，由于第21、23太阳周数据不全，上述计算与实际值之间可能存在一些偏差，尤其是第23太阳周，从图2（c）可见，其ANS在2002年基本上已经有转换的迹象了。类似的符号反转规律还出现在日珥消失事件和黑子面积等ANS演化之中11,16,17。图4 磁通量南北不对称性小波功率谱图Fig. 4 The wavelet transform map of north-south asymmetry of solar photospheric magnetic flux为了研究磁通量ANS的周期性，我们对它进行了小波变换（采用Morlet小波基）。与傅立叶变换相比，小波变换能同时揭示信号在频域和时域内的变化信息。详细结果如图4所示，其中白色表示波峰，黑色表示波谷。在图中我们首先看到了约11年的周期，其波峰位置分别为卡林顿第1680、1800和1950周，波谷位置分别为卡林顿第1735和1880周。与太阳活动周的波峰（卡林顿第1710、1835、1980周）波谷（卡林顿第1770、1905周）位置相比，基本提前了30个卡林顿自转周（相当于2.2年）。另一个明显的周期大约在22个自转周附近（即1.6年），这个周期表现有一定的时变性，它在卡林顿第1735周之前长约20个自转周，在卡林顿第1735-1880周，开始分化为两个分别长约30个自转周和12个自转周的周期，在卡林顿第1880周之后长约22个自转周，并且周期性变得非常明显；由上可见这个周期自身的时变基本上与ANS的11年周期同步。还有一个周期分布在52个自转周左右（即3.9年），这个周期在卡林顿第1880周之前表现比较稳定，之后便消失了，取而代之的是另一个长约70个自转周（5.2年）的新周期。另外，在太阳活动谷年，出现一些短于10个自转周的小周期，由于它们的周期性都比较弱，这里就不再给予讨论了。3 结论与讨论通过上面分析，可以总结出关于磁通量ANS变化的4个特征。第一，从第22太阳周全周来看，磁通量ANS几乎没有统计意义。这与1998年Li等人认为该周X射线耀斑发生率南半球明显占优的结论不同12。其原因可能与光球总磁通量包含了不常发生耀斑的弱磁场区（如谱斑）有关；第二，从ANS在一个太阳周内的演化情况来看，其南北分布的统计意义还是较为显著的。磁通量ANS在一个太阳周内总是由北向南逐渐演化的，并且符号反转的时间通常是在太阳活动的极大年附近，这与其他许多活动现象ANS的演化规律是一致的，如暗条4、黑子11和耀斑24等等；第三，磁通量ANS与太阳周有关，不对称性值在太阳活动极小年要明显高于太阳活动极大年。经过小波分析发现，ANS的11年周期比太阳周提前了2.2年左右，而不是一种简单的反相关系，后者很容易理解为这是因为对于太阳活动极小年公式（1）的分母变得相当小所带来的计算效应的缘故。发现磁通量ANS与太阳周变化存在不同相位的还有文16和17等，但他们都没有给出定量的结果；第四，磁通量ANS变化除了拥有11年周期外，它还存在着另外两个周期，大小分别为1.6年和3.9年。这两个周期都拥有一定的时变性，前者的时变基本与ANS自身的11年周期同步，后者有时会演化成5.2年的新周期。由于3.9和5.2都是1.3的倍数，我们猜测这个周期可能与2000年日震学上发现的太阳对流层底1.3年的自转周有关25。目前尚没有对太阳活动ANS统一的解释。从上面关于磁通量ANS特征的分析讨论来看，它一方面具备磁通量浮现的统计规律，如11年周期和1.3年周期（现普遍认为太阳磁场基本产自对流层底的强剪切作用），另一方面它又具备现有发电机理论所不能解释的其他特征13，所以我们认为在太阳内部一定还存在着某种调节机制使得磁通量在浮现过程中南北半球呈现出具有如此统计规律的不对称性。参考文献1 Maunder E W. 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