MATLAB太阳黑子活动周期

1、太阳黑子的活动周期研究 班级：电控研14-2 姓名：庆春太阳黑子（太阳的暗黑斑点） 太阳黑子（sunspot）是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的。一般认为，太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，温度大约为3000-4500。 因为其温度比太阳的光球层表面温度要低1000到2000摄氏度（光球层表面温度约为6000摄氏度），所以看上去像一些深暗色的斑点。太阳黑子很少单独活动，通常是成群出现。 黑子的活动周期为11年，活跃时会对地球的磁场产生影响，主要是使地球南北极和赤道的大气环流作经向流动，从而造成恶劣天气，使气候转冷。严重时会对各类电子产品和电器造成损

2、害。 太阳黑子虽然颜色较深，但是在观测情况下，与太阳耀斑同样清晰显眼。天文学家把太阳黑子最多的年份称为“太阳活动峰年”，太阳黑子最少的年份称为“太阳活动谷年如何观测 一般的光学望远镜主要是观测太阳光球层的活动现象：黑子、耀斑和米粒组织。我们主要观测黑子和耀斑。 1太阳黑子是光球上最明显的活动，在日面的形成、发展、消失、形态、多少、大小和分布等，都有一定的规律。黑子在日面上的东西分布是不对称的东半球比西半球多，并且集中分布在日面中纬度区域。较完整的黑子是由本影和半影组成，中间深黑色的部分叫本影，四周暗淡的部分叫半影。另外大多数黑子都成群出现，多是沿东西方向分布着。一群中，西边较大的黑子叫前导黑子

3、，东边较大的黑子叫后随黑子。就太阳整体而言，黑子活动有大约11年的周期变化。 2光斑是在太阳光球层的东西边缘，往往出现一些比光球的背景更明亮的区域，这就是光斑。光斑常伴随日面边缘的黑子一起出现，也存在着11年的周期。 观测的方法：太阳观测有几种不同的方法。我们暂时只选用投影观测，以后进行照相观测。下面的内容中将重点介绍一下投影观测，简要说明照相观测。投影观测一、测前准备（1）观测纸：印有日本威信公司生产的太阳观测网格图，观测者根据当日的B0、P值选择，共有八种（在下文中介绍）。（2）描图纸：印有与观测纸网格图同样大小稀疏网格图（直径为10厘米，B0=0度，P=0度） ，也可以用白而薄的纸（纸上

4、有直径10厘米的圆）（3）天顶棱镜：若使用的太阳投影板平面与镜筒平行，需使用天顶棱镜改变光路。（4）目镜：不能使用胶合目镜，用惠更斯目镜较为合适。不能使用高倍目镜。（5）滤光片：ND中性滤光片，有ND2、ND4、ND8多种。（6）天文普及年历：观测当天的B0、L0、P值都需从当年的天文年历中查得。（7）常用的工具：铅笔、手表、红黄彩笔、尺、圆规、投影仪、小磁铁或夹子。（8）带上前一天的描点图。 1、将望远镜极轴大致对准北极，镜筒指向太阳，观察镜筒的影子，当影子最小时，说明太阳已经大致对好。 ！请注意，千万不能用眼睛通过望远镜直接寻找太阳，寻星镜也最好不要加装。 2、记录透明度、宁静度、云量、描

5、图开始时间等观测背景数据。关于宁静度和透明度的规定是这样的：范围是0-5最好是5，最差是0，一般都要在2.5以上才可以观测。宁静度与风有关，一般4级以下可以定为3。透明度与污染等有关，取值看经验了。 3、装上、目镜、投影板，调好焦距，将描图纸固定在投影板上（我们用小的吸铁石或夹子），上下移动板，使太阳的像与描图纸上的圆面等大。 4、不要跟踪太阳，选择一颗小而清楚的黑子，观察其在描图纸上的视运动轨迹，确定东西线。 5、若使用网格图来描点，只需旋转描图纸，使黑子的视运动轨迹方向（太阳的东西线方向）与描图纸中的纬线平行。使用白纸只需在数据分析时画出东西线即可。 6、 确定日面坐标方向 若投影板与镜筒

6、平行，由于描图纸上的像是经过折射镜和棱镜两次改变光路得到的，故太阳黑子视运动方向恰与日面坐标中的东西走向大体一致，再按“上北下南，左西右东”，日面坐标方向就确定了。 若投影板与镜筒垂直，由于只经过一次改变光路，方向完全相反：按上南下北，左东右西。即可确定日面坐标方向。 7、把投影相和描图纸的圆对齐并开始跟踪，在日面上找一颗形状较为规则的大黑子，适当调整望远镜的赤经、赤纬旋钮，当投影日面与描图纸上的圆重合时迅速描下该黑子的位置，其他黑子就可以以它为主参照黑子定位。另外边看边记黑子群数、个数、形态、位置等。 此时要对照前一天的黑子描点图，并确定出黑子群的类型（采用苏黎式分类法） 8、描图时要迅速，

7、手不要压屏，头不要碰目镜。 9、其他黑子的描图需按以下步骤进行： 黑子需自西向东描。 先描黑子半影，后描本影。 先描前导黑子，后描后随黑子。 10、描出光斑。 11、记录描图结束的时间，以描图开始结束时间的中间时刻，记为描图时间。数据 见附表 太阳黑子的活动呈现周期性变化的，沃尔夫(R.Wolfer)根据在过去的288年(1700年1987年)间每年太阳黑子出现的数量和大小的观测数据推算出11年的周期规律。数据处理 离散时间信号的傅里叶变换 Discrete Time Fourier Transform, DTFT DFS是周期序列的离散傅里叶级数 DTFT是非周期序列的傅里叶变换，称离散时间

8、傅里叶变换，其频谱 是连续的函数 DFT是有限长序列的离散傅里叶变换，是对其DTFT的等间隔抽样，是离散的频谱 DFT是DFS的主值序列，是非周期的。而DFS是DTFT的频域内的抽样。 FFT是DFT的一种高效快速算法，也称作快速傅里叶变换。离散傅立叶变换（DFT） 公式 这一对式子，左、右两边都是离散的，有限长，因此可方便地用来实现频谱分析。 但使用时，一定要想到，它们均来自DFS, 即 x（n）和 X（k）都是周期的！ FFT是一种DFT的高效算法，称为快速傅立叶变换（fast Fourier transform）。FFT算法可分为按时间抽取算法和按频率抽取算法，先简要介绍FFT的基本原理

9、。从DFT运算开始，说明FFT的基本原理。实现步骤及内容 (1) 读取数据并绘制Wolfer图，观察太阳黑子的活动现象。程序如下： load sunsb.dat %读取数据 year=sunb(:,1); %读取年份信息 wolfer=sunb(:,2); %读取黑子活动数据 figure%新建图像 plot(year,wolfer) %画出时域图 xlabel(Years); ylabel( Sunb Data ); title(Sunb Data) %标注横纵坐标和标题 pause 为清楚起见，画出部分时间段(如实验中采取最近50年)的Wolfer 图进行观察。程序如下： figure p

10、lot(year(261:311),wolfer(261:311),b.-); %用进50年数据做图 xlabel(Years);ylabel( Sunb Data ); title(At the last 50 years) %标注横纵坐标和标题(2) 对已经得到的Wolfer数应用FFT 技术分析它的变化规律。程序如下：Y = fft(wolfer); %对全部数据做FFTY(1)=; %由于算法问题，Y(1)为所有fft数值之和，因此需舍弃第一个点 pause观察Wolfer数在FFT分析后得到的在复平面中的分布图。程序如下：figureplot(Y,ro) %在复平面做图，空心点tit

11、le(Fourier Coefficients in the Complex Plane);xlabel(Real Axis); %标注横坐标为实部ylabel(Imaginary Axis); %标注纵坐标为虚部pause(3) 功率与频率的关系曲线则被定义为周期图。用周期图法对Wolfer数进行功率谱密度分析。程序：figure n=length(Y);%取FFT结果长度为npower = abs(Y(1:n/2).2; %取前n/2个数据求其功率nyquist = 1/2; %取最大频率为0.5freq = (1:n/2)/(n/2)*nyquist; %将FFT转换为DTFT%假设采样

12、频率为Fs，采样点数为N，做FFT之%后，某一点n（n从1开始）表示的频率为：%Fn=(n-1)*Fs/N；该点的模值除以N/2就是对应。真实频率plot(freq,power) %画周期图xlabel(cycles/year);title(Periodogram)pause 为清楚起见，对功率和频率的前50个分量作它的周期图。程序如下：figureplot(freq(1:50),power(1:50) %为观察方便xlabel(cycles/year)pause(4) 确定出太阳黑子的活动周期。为清楚起见，画出功率与周期（频率的倒数）的关系曲线图。程序如下：figureperiod=1./freq; %将横坐标单位转换为年/周期plot(period,power);%画周期图axis(0 50 0 2e+7);ylabel(Power);xlabel(Period (Years/Cycle);%单位为年/周期pause(5) 在功率与周期关系曲线图中标出功率的最高点，该位置对应的周期则为太阳黑子活动周期。hold on;index=find(power=max(pow