天文基础5、日地关系.ppt

太阳 地球 人类日地空间环境 北京天文馆景海荣博士Tel 51583068E Mail hrjing 一 太阳概况二 太阳的结构三 太阳活动现象四 太阳活动对人类的影响 日地关系五 太阳物理的研究意义 一 太阳概况1 太阳是银河系中一颗普通的恒星 距离银河系的中心约3万光年 公转周期约2亿年 目前位于主序阶段 已有50亿年的历史 估计其寿命还有50亿年 到白矮星阶段 2 日地平均距离1亿5千万公里 3 太阳的半径为6 96 105公里 69万6千公里 是地球半径的109倍 它的体积约为地球体积的130万倍 4 太阳的质量1 989 1030kg 是地球质量的33万倍 地球质量为5 97 1024kg 平均密度1 408g cm3 1 4地球密度 表面重力加速度274m s2 27倍地球表面的值 5 地球接收太阳总辐射能的22亿分之一 每分钟传输能量相当于燃烧4亿吨煤产生的热量 6 太阳的自转在两极和赤道不同 赤道区转速快 极区转速慢 在赤道处自转周期约25天 极区约29天 称为较差自转 测量方法 天体测量学如 距离 雷达 三角视差 红移等质量 万有引力定律 太阳自转情况 红色表示转速快 兰色表示转速慢 二 太阳的结构1 核反应区 0 0 25R 太阳能量的主要来源 产能机制是氢聚变为氦的热核反应 中心区温度1500万度 质量占太阳总质量的一半以上 密度 150g cm3 2 辐射区 0 25 0 75R 核反应区的能量以辐射的形式向外传送 温度下降一个量级 3 对流层 0 75 1R 太阳物质上下翻滚 形成湍流 以物质对流的形式向外传能 对流运动本身以米粒和超米粒的形式在表面表现出来 温度又下降一个量级 4 光球层 人眼所看见的明亮圆盘 温度5770K 太阳的可见光绝大部分从这里发出 厚度约500公里 密度 10 9g cm3 5 色球层 光球层之上厚约2000公里的太阳大气 在日全食或用色球望远镜可见 其温度又开始上升 密度 10 12g cm3 6 日冕区 太阳的外层大气 没有明显的外边界 日全食时可见 温度达到百万度 密度 10 14g cm3 在日核处 每秒有500万吨的氢在热核反应中形成氦 产生能量 电磁辐射在太阳内部向外传播时非常缓慢 内部为不透明的 像浓雾 要经历许多次反射 如果直接出来 仅需2秒 但经历许多次反射后需要1千万年 三 太阳活动现象宁静太阳基本上是一颗球对称和稳定的恒星 她是时间上稳定 空间上球对称和均匀地向四面八方辐射的 其物理性质在空间上只随日心距变化 在同一半径的球层中物理性质是相同的 1 太阳黑子 光球面上经常出没的暗黑斑点 因温度相对较低而显得黑 约4500度 太阳黑子的本质是太阳上的磁场聚集区 强度可达3000高斯 小黑子的线度只有几百公里 而大黑子可达20万公里 黑子的寿命从几分钟到几个月不等 黑子多出现在低纬度区 经常成对或成群出现 黑子群中一般有两个主要黑子 它们的极性相反 前面的称为前导黑子 西边 后面的称为后随黑子 前导黑子距太阳的赤道较近 太阳黑子数的变化有11年的周期性 其在日面纬度上的分布也有11年的变化周期 09 4 13 2 太阳耀斑 邻近黑子上方的突发明亮物 是太阳大气中的一种不稳定过程 它在短时间 几分钟到十几分钟 内释放大量的能量 引起局部区域瞬时加热和各种电磁辐射及粒子辐射突然增强 又称色球爆发 一个大耀斑释放出的能量相当于百万吨级氢弹的能量耀斑可分为 白光耀斑 较为少见的太阳剧烈活动现象 可直接观测 X射线耀斑质子耀斑耀斑的出现频度和黑子数有关 即在太阳活动丰年耀斑活动频繁 这是欧洲宇航局和美国国家航空航天局联合发射的SOHO卫星得到的2000年7月14日大耀斑的远紫外线观测资料 3 日珥 突出在日面边缘的白炽气体喷射物 形状似耳 高度可达几十万公里 宁静日珥 悬浮于色球上的日冕区 可保持几天到几周的时间 爆发日珥 激烈活动的日珥 持续时间为几分钟到几个小时 日珥的形成也和黑子密切相关 宁静日珥是日冕中的巨大 稠密和低温的垂直等离子体结构 密度约为0 5 1 0 1017m 3 比周围日冕密度高500倍 温度约为5 000 10 000K 比周围日冕温度低500倍 它长寿且变化缓慢 在日冕上看起来是细长的暗条 filament 结构 它具有非常精细的结构和内部运动 并常常以一系列规则分布的 足点 联到下面的光球上 有时 它会变得不稳定 上升并消失掉 成为喷发日珥 通常会在原位重新形成新的日珥 4 日冕物质抛射 CME 突发的 持续时间为几十分至两小时的物质抛射 日冕物质抛射和太阳耀斑及爆发日珥有关 但它们也能够独立出现 其出现的频度也和黑子活动周有关 2000年7月14日发生的日冕物质抛射 2002 1 4 5 冕洞 日冕上形状不规则的黑暗区域 它和日冕上的磁场开放区有关 多出现在极区 存在时间较长 几个月 是强太阳风的风源 6 太阳风 日冕抛向行星际空间的粒子流 由于日冕处于膨胀状态 因而 无论是否存在太阳活动 都有稳定的太阳风流出 320 710公里 秒 一般情况下太阳风的平均流速为450公里 秒 太阳风暴 太阳活动 耀斑 爆发日珥 日冕物质抛射等 所引起的高速 高密粒子流 四 太阳活动对人类的影响 日地关系太阳活动所产生的各种电磁辐射和粒子流对地磁场 地球大气以及气候变化都会产生的影响 对流层10C 对流层顶 50C 平流层 臭氧层 10C 中间层 80C 电离层0C D D70 90 长波 E100 120 中波 F160 450 短波 高层大气 地球表面的平均气温是摄氏14度 如果没有大气 则为 21度 对流层主要通过地面的红外辐射加热 所以对流层的温度随着高度降低 臭氧层吸收太阳的紫外辐射 因此温度升高 高度再增长时 温度下降 到达电离层时 由于吸收太阳的x射线 温度又迅速升高 最高温度可达摄氏1100度 电离层之外是地球的外层大气 延伸到地球外2 3千公里 地球磁场 自转轴 磁轴 太阳活动对地球的影响 磁鞘 磁层顶 地磁暴 地球磁场的强烈扰动 地磁暴的形成是由太阳活动产生的高速太阳风压缩地球磁层引起的 是磁层把从太阳风捕获的能量在自身内部进行释放的过程 磁层的扰动影响与其相连的地球电离层和地层大气 使整个地球大气层都发生相应的扰动 1 地球磁场变化引起罗盘失灵 影响飞机船舶航行及雷达的正常工作 同时地磁场的变化也会对电力系统及输油管道的正常工作产生影响 因为强烈的磁暴在闭合导电回路中产生强大的感应电流 使输电线路发生故障 2 太阳活动对电离层的扰动影响无线电通讯 电离层 70 400公里 是由于太阳辐射引起地球大气分子电离产生的 太阳辐射的变化将引起电离层的变化 无线电波是通过电离层的反射而传播的 电离层的运动和变化增加了传播信号的噪声 低层 D 的吸收降低信号的强度 夜晚的短波通讯效果比白天好 稳定 正常情况下 电离层中的扰动幅度较小 不会对通讯产生太大影响 但太阳活动造成的电离层状态突变会使通讯中断 3 太阳活动所产生的高能粒子流对宇航员及卫星系统造成危害 4 极光现象 常出现与地磁极附近大气中的彩色发光现象 来自太阳的高能粒子流在地磁场的作用下 沿磁力线飞向极区 使高层大气中的分子或原子激发或电离而产生 5 太阳活动和地球气候变化的关系大量的统计资料表明 太阳活动和地球气候变化具有相关性 三个因素 太阳总输出能量的变化 一个黑子周期间变化幅度小于0 1 太阳常数 垂直太阳方向单位面积上在单位时间接收到的太阳辐射能 约为1 96卡 厘米2分钟 1 37千瓦 米2 紫外和远紫外辐射的变化 太阳风和磁场的变化 太阳活动中紫外和远紫外辐射的变化很大 太阳电磁辐射对地球表面和大气层的加热 形成了大气层的温度垂直分布结构和大气环流 尤其是在对流层中造成了各种复杂的大气现象 太阳电磁辐射中 波长短于1400埃的紫外部分 是造成地球大气电离层和臭氧层的主要电离源 这些辐射会引起地球上层大气的扰动及臭氧层的变化 太阳活动产生的高速太阳风扰动地球磁场产生磁暴 加热高层大气 引起气压的变化 产生大气环流 导致气候的变化 TheEarth srotation twiststheconvectioncurrentstoestablishglobalatmosphericcirculationpatterns TheEarth srotation 6 某些细菌和微生物的活动也可能受太阳辐射的制约 某些疾病如流行性感冒 心血管疾病等也与太阳黑子数有关 7 树木生长的年轮圈的疏密情况明显地呈现11年的周期性 主极大对应于活动的峰年 太阳峰年地面上的紫外线有多少 8 太阳活动和地震有关吗 地震 地球板块的错动 断裂及滑动等 大量的统计结果显示 地震也呈现11年和22年的活动周期 与黑子活动有关 根据地磁扰动进行地震预报也取得了一定的成功 原因何在 太阳活动发出的大量辐射和带电粒子流使地磁场受到强烈扰动 磁暴可在地壳中产生力的作用 成为地震的导火索 太阳耀斑触发了地震 高能粒子形成潮汐一样的能量波 其中的甚低频辐射使已积聚巨大应力的断层发生共振 五 太阳物理的研究意义1 太阳是一个典型的恒星 详细研究可了解众多恒星的详细情况 2 太阳提供了地面难以实现的物理环境 对其研究可促进其他学科的发展 3 非常重要的应用价值 太阳活动预报开发利用太空的需要卫星 侦察 气象 资源 通讯 导航 空间站 空间望远镜等空间太阳能发电站 无线能量传输 历史上若干重大空间灾害性事件1958年2月9 10日 地磁暴造成北大西洋电报电缆中断 多仑多停电 1972年8月4日 强磁暴使美国伊力诺斯等州电力电缆中断 变压器损坏 1979年3月 对越自卫反击战时 大耀斑导致部队无线通讯完全中断 1989年3月13 14日 强磁暴造成加拿大魁北克地区电网停电 全球无线电通讯受到干扰 日本一颗通讯卫星异常 美国一颗卫星轨道下降 1990年太阳峰期 高能粒子造成我国风云 IB气象卫星提前报废 1991年4月29日 强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏 1997年1月6 11日的日冕物质抛射使AT T公司通讯卫星报废 1998年5月19日美国银河四号通讯卫星失效 同时德国一颗科学卫星报废 2000年7月14日产生了一系列显著的灾害性空间天气 所有卫星探测器减寿 日本ASCA卫星失控 等等2001年4月3日凌晨 2日