現(xiàn)代天文學(xué)

1、現(xiàn)代天文學(xué) 與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),第四章、太陽和磁流體力學(xué) 1，太陽的基本情況 2，太陽活動(dòng)現(xiàn)象 3，太陽對(duì)地球的影響 4，光譜觀測(cè) 5，太陽觀測(cè)設(shè)備 6，阿爾文的太陽磁流體力學(xué),阿爾文瑞典天文學(xué)家太陽和宇宙磁流體力學(xué)獲1970年諾貝爾獎(jiǎng)（阿爾文波，磁凍結(jié)）,阿爾文 阿爾文1908年5月30日生于瑞典。在烏普沙拉大學(xué)畢業(yè)，1934年獲得博士學(xué)位。當(dāng)他還是博士研究生的時(shí)候，

2、他就創(chuàng)立了一個(gè)關(guān)于宇宙輻射起源的理論。 阿爾文善于提出新概念、新思想，從天文現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律，更善于把自己發(fā)展起來的理論用于解釋復(fù)雜的天文現(xiàn)象。 他是太陽和宇宙磁流體力學(xué)新學(xué)科的奠基人。,瑞典天文學(xué)家阿爾文因?yàn)閷?duì)宇宙磁流體動(dòng)力學(xué)的建立和發(fā)展作出的卓越貢獻(xiàn)而榮獲1970年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是對(duì)他近40年科學(xué)生涯最公正的評(píng)價(jià)。,1，太陽的基本情況,太陽的情況 太陽是距離我們最近的恒星 中等質(zhì)量的壯年

3、恒星 日地距離149597870千米 半徑比地球大109倍 體積是地球的130萬倍 質(zhì)量為1.99×1030千克 是地球的33萬倍 太陽是氣體球 平均密度為1.409克/厘米3,太陽的結(jié)構(gòu)內(nèi)核：熱核反應(yīng)，產(chǎn)能區(qū)輻射層對(duì)流層光球：光亮的球?qū)樱?溫度6000K色球：溫度比光球高, 656.28納米 紅光很強(qiáng)日冕：溫度 百萬度 射電輻射來自日冕,光球,黑子,1991年

4、7月11日日全食時(shí)的日冕,日冕,太陽結(jié)構(gòu)模型,太陽化學(xué)組成 太陽有68種元素 氫 78.4% 氦 19.8％ 氧 0.8% 碳 0.3% 氮、氖、鎳各占0.2% 其余元素均在0.1%以下,“ 太陽元素”的發(fā)現(xiàn) 1868年8月18日，法國(guó)天文學(xué)家詹遜在印度觀測(cè)日全食時(shí)，發(fā)現(xiàn)日珥的兩條鈉線旁邊還有

5、一條橙黃色明線（D3），不知是什么元素的譜線。在當(dāng)時(shí)化學(xué)家所列的表格中，沒有一種物質(zhì)有這條黃線，不能和已知的地球上任何元素的譜線不相對(duì)應(yīng)。于是把這種元素命名為氦，原意為“ 太陽”，曾稱”太陽元素”。 27年后，一位名叫雷姆塞的英國(guó)化學(xué)家終于在地球上也找到了氦。,2，太陽活動(dòng)現(xiàn)象,太陽磁場(chǎng) 從縱的方向看，太陽各層大氣里的磁場(chǎng) 很不相同； 從橫的方向看日面各部分磁場(chǎng)相差很大， 既有大范圍的大尺度磁場(chǎng)，也有直徑不

6、 到幾萬千米的小尺度磁場(chǎng)。 太陽黑于磁場(chǎng)是最強(qiáng)的磁場(chǎng)。 太陽活動(dòng)都與磁場(chǎng)有關(guān)，磁場(chǎng)是活動(dòng)區(qū) 最本質(zhì)的特征。在磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活動(dòng)區(qū)， 還能觀測(cè)到耀斑、射電爆發(fā)、日珥等。,日珥,太陽的紫外光圖象,太陽射電輻射圖象射電輻射來自日冕射電太陽比光球大,太陽的X射線圖象,黑子群,太陽黑子本影和 半影,雙極黑子及其磁場(chǎng)分布示意圖,太陽黑子相對(duì)數(shù)變化的11年周期,黑子出現(xiàn)蝴蝶圖,每個(gè)活動(dòng)周開始黑子出現(xiàn)在高緯區(qū)然

7、后逐漸走向低緯區(qū),黑子“ 蝴蝶”圖 在11年活動(dòng)周期中，黑子分布呈現(xiàn)蝴蝶狀從高緯到低緯的變化。每只蝴蝶對(duì)應(yīng)一個(gè)活動(dòng)周。 黑子出現(xiàn)在南北緯度350之間。,黑子磁極性變化有22年周期日面上的偶極黑子群中，前導(dǎo)黑子總是 與后隨黑子的極性相反。 在同一個(gè)活動(dòng)周中，南半球的前導(dǎo)和后 隨黑子的極性情況是一樣的。 南半球和北半球的情況相反。 每一個(gè)太陽活動(dòng)周期中，黑子群的磁極 性分布保持不變，但下

8、一個(gè)周期的情況 則截然相反。,偶極黑子群中黑子磁場(chǎng)極性隨 太陽周期的變化,,日珥 在色球?qū)佑袝r(shí)有一束束竄得很高的火柱就是日珥，是一種十分美麗壯觀的太陽活動(dòng)現(xiàn)象。 日珥比光球暗得多，也只有在日全食時(shí)或者使用色球望遠(yuǎn)鏡才能看到。 日珥一般高約幾萬公里，大大超過了色球?qū)拥暮穸龋饕嬖谟谌彰釋赢?dāng)中。寧?kù)o日珥的形狀可數(shù)月不變。 爆發(fā)日珥則以每秒700多公里的速度噴發(fā)到日冕中去。,耀斑

9、 在大的黑子群上面，比較容易發(fā)生的一種爆發(fā)現(xiàn)象。耀斑是太陽上最強(qiáng)烈活動(dòng)現(xiàn)象。 耀斑的最大特點(diǎn)是來勢(shì)猛，能量大。在短短一、二十分鐘內(nèi)釋放出的能量相當(dāng)于地球上十萬至百萬次強(qiáng)火山爆發(fā)的能量總和。 耀斑產(chǎn)生在日冕的低層。耀斑和黑子有著密切的關(guān)系。,3，太陽對(duì)地球的影響,太陽對(duì)地球的影響1，給地球帶來的光明和溫暖，是地球能源的提供者。2，耀斑對(duì)地球有巨大影響，耀斑產(chǎn)生強(qiáng)大 的由高能粒子組成的太陽風(fēng)，吹到地球附 近，

10、對(duì)地球產(chǎn)生影響： 對(duì)地球上的電訊有強(qiáng)烈的干擾； 對(duì)正在太空遨游的宇航員有致命的威脅； 在地球大氣高層產(chǎn)生極光。,美麗的極光 極光是唯一能用肉眼看到的高層大氣中 發(fā)生的物理現(xiàn)象 極光發(fā)生在地球兩極高層大氣中 來自太陽活動(dòng)區(qū)帶電粒子闖入地球高層 大氣，和大氣中的分子或原子碰撞而產(chǎn)生的放電過程 由于地球磁場(chǎng)的作用，太陽高能粒子 到達(dá)地球時(shí)就向地球磁極靠攏，因此 在地球上高磁緯地區(qū)能看到極光,,極光的

11、形態(tài)變化萬千，顏色絢麗多彩。極光的每一次出現(xiàn)，都好似大自然恩賜給人類的一幅美麗畫卷。凡是有幸親眼目睹過極光的人都會(huì)在他們的腦海里留下終身難忘的印象。,地球上看極光 在磁緯60°－70°的區(qū)域內(nèi)，圍繞地球南北磁極的兩個(gè)圓環(huán)狀地帶。地球的北磁極在加拿大大境內(nèi)。 地球的磁南北極與地理南北極之間大約相距11°。高緯度地區(qū)出現(xiàn)極光現(xiàn)象較多。磁緯越低的地區(qū)，只是偶而能見到極光。,極光

12、橢圓,極光橢圓 在地球磁場(chǎng)的作用下，從太陽來的高能粒子不能沿磁極區(qū)的磁力線作螺式下降。太陽風(fēng)從太陽攜帶來的磁場(chǎng)和地球場(chǎng)相互作用，放電過程是在以磁極為中心的圓形區(qū)域的邊界進(jìn)行的。 極光發(fā)生在圍繞磁極的一個(gè)近似橢圓形的環(huán)狀區(qū)域。人們稱之為極光橢圓。,4，光譜觀測(cè),基爾霍夫光譜的三條定律（1870年，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)）① 熾熱的物體發(fā)出連續(xù)光譜；② 低壓稀薄熾熱氣體發(fā)出某些單獨(dú)的明亮譜線； ③

13、 較冷的氣體在連續(xù)光源前面產(chǎn)生吸收譜線。,給鐵條加溫1. 溫度低 2. 溫度中等 3. 溫度很高 紅色 黃色 白色,1 2 3,太陽光經(jīng)過棱鏡后被分為七色光 波長(zhǎng)從400nm---700nm(毫微米）,黑體輻射譜12000K

14、藍(lán)色6000K 黃色3000K 紅色,太陽的觀測(cè)曲線和5800K的黑體輻射譜的比較,吸收線和發(fā)射線 吸收線：在太陽連續(xù)光譜的上面有許許多多的粗細(xì)不等、分布不均的暗黑線，共有2萬多條。 發(fā)射線：在連續(xù)光譜上還有成千上萬條明亮的譜線。,電離,吸收線,發(fā)射線,能級(jí)和譜線 發(fā)射線、吸收線和電離,連續(xù)譜,發(fā)射線,吸收線,黑體,星云氣體,,連續(xù)光譜和發(fā)射線,連續(xù)光譜和吸收線,太陽光譜研究 太陽光譜（連續(xù)

15、譜、發(fā)射線和吸收線）可給出太陽大氣的結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)、化學(xué)成分以及太陽活動(dòng)的性質(zhì)等。,測(cè)量天體磁場(chǎng)的方法塞曼效應(yīng)：19世紀(jì)末物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在均勻磁場(chǎng)中，原子輻射產(chǎn)生的某一條發(fā)射譜線要分裂為兩條或三條，分裂程度與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。天文學(xué)家利用塞曼效應(yīng)設(shè)計(jì)出觀測(cè)太陽和恒星磁場(chǎng)的設(shè)備。太陽是唯一的一顆能給出表面磁場(chǎng)分布的恒星。,,觀測(cè)到的譜線,塞曼效應(yīng)電子從高能級(jí)躍到低能級(jí)，發(fā)射一定頻率的譜線有磁場(chǎng)時(shí)，能級(jí)分裂導(dǎo)致譜線分裂分裂程

16、度與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，因此可以測(cè)磁場(chǎng),5，太陽觀測(cè)設(shè)備,北京天文臺(tái) 懷柔 多通道 太陽 磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡（世界首架）,北京天文臺(tái)懷柔多通道太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡（口徑為35厘米） 通常采用光譜分析（塞曼效應(yīng)）方法測(cè)磁場(chǎng)，每次只能測(cè)日面上一條線上的磁場(chǎng)。 80年代后期，懷柔站研制成世界首架磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，一次可以測(cè)出一塊面積上的磁場(chǎng)。能得到縱向磁場(chǎng)及分析出橫向磁場(chǎng)。 能快速得到結(jié)果，因此可以研

17、究磁場(chǎng)的變化。,,南京大學(xué)太陽塔,云南天文臺(tái)太陽望遠(yuǎn)鏡,北京天文臺(tái)正在研制的太陽空間望遠(yuǎn)鏡,6，阿爾文的磁流體力學(xué),（1）阿爾文于1937年（29歲）首先提出： “ 銀河系的星際空間 到處都存在磁場(chǎng)” 在那時(shí)，人們并未觀測(cè)到，也不 認(rèn)為銀河系到處都有磁場(chǎng)。這一假設(shè)一直受到冷落。,到40年代才發(fā)現(xiàn)銀河系存在磁 場(chǎng)的跡象。 到六十年代測(cè)出銀河系磁場(chǎng)的 分布之后才最后證實(shí)阿爾文的假 設(shè)。,

18、磁場(chǎng)在宇宙中普遍存在 地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱，只有0.5高斯。 太陽的平均磁場(chǎng)約為2高斯，太陽黑子區(qū) 域的磁場(chǎng)卻高達(dá)幾百至幾千高斯。 有些恒星磁場(chǎng)很強(qiáng)，可達(dá)幾千至幾萬高斯 白矮星的磁場(chǎng)達(dá)到105－107高斯。 宇宙中磁場(chǎng)最強(qiáng)要算中子星，達(dá)到了 108－1014高斯。 銀河系星際空間的磁場(chǎng)僅有微高斯量級(jí)。,（2）阿爾文首先提出 宇宙中普遍存在等離子體 核外電子變?yōu)樽杂呻娮拥倪^程稱為電離。電離后的物質(zhì)變?yōu)檎?/p>

19、離子和電子以及未經(jīng)電離的中性粒子所組成。 這種狀態(tài)就是物質(zhì)的第四態(tài)――等離子。,等離子體的形成 物體在高溫條件下或受X射線、? 射線的照射后，原子核外的電子因獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛成為自由電子。這種核外電子變?yōu)樽杂呻娮拥倪^程稱為電離。電離后的物質(zhì)變?yōu)檎x子和自由電子，總體上還是電中性的。 這種狀態(tài)就是物質(zhì)的第四態(tài)――等離子體。,生活中見到的日光燈或霓虹燈，就是用人工方法在真空玻璃管中制造的低

20、溫等離子體。,太陽是高溫等離子體球 對(duì)于電離氣體無論是部分電離還是完全電離的氣體，雖然在某些方面跟中性氣體有相似之處，如描述氣體的宏觀物理量——密度、溫度、壓力等對(duì)電離氣體同樣適用，但是，它的主要性質(zhì)卻發(fā)生了本質(zhì)的變化，即電離氣體的行為主要受電磁力的支配。,恒星 恒星表面的溫度在5000至10000K之間，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)物質(zhì)只能部分電離。但是到了恒星的內(nèi)部，越向里去，溫度越高，電離程度越來越高，在恒

21、星核心區(qū)的物質(zhì)則是100％地被電離。,星際氣體 星際氣體的溫度比較低，但其體周圍的恒星輻射或高速星風(fēng)作用也會(huì)使其電離而成為等離子。 宇宙中幾乎99％的物質(zhì)都是等離子體。 實(shí)際上，在天文學(xué)的研究中，幾乎完全依靠等離子體的輻射來獲取信息。,（3） 阿爾文發(fā)現(xiàn)磁凍結(jié)現(xiàn)象 宇宙中既有等離子體又有磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的變化就具有新的特點(diǎn)。阿爾文發(fā)現(xiàn)等離子體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的一個(gè)新現(xiàn)象，那就是磁凍結(jié)。 等離子體在磁

22、場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)必然帶著磁力線一起運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于磁力線凍結(jié)在物質(zhì)里面了，或者說等離子體粘連在磁力線上了。,磁場(chǎng)凍結(jié)的條件 －－ 磁場(chǎng)擴(kuò)散非常慢 在天體物理的研究對(duì)象中，如太陽黑子、太陽及銀河系等幾何尺度非常大，總滿足磁場(chǎng)擴(kuò)散非常慢的條件，因此天體物理研究中的等離子體基本上是和磁場(chǎng)凍結(jié)在一起的。 等離子體要運(yùn)動(dòng)必然帶著磁力線一起運(yùn)動(dòng)。,磁場(chǎng)的羅侖茲力,電子射線管的陰極射出電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn),等離子體

23、在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 等離子體是流體要遵從流體力學(xué)的規(guī)律。 等離子體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)又要遵從電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律。 僅用流體力學(xué)或電動(dòng)力學(xué)都不能正確解釋它們?cè)诖艌?chǎng)中的運(yùn)動(dòng)的特征。,等離子體在磁場(chǎng)中作螺旋軌道運(yùn)動(dòng) 等離子體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)受到羅倫茲力的作用。當(dāng)帶電粒運(yùn)動(dòng)方向與磁力線垂直，羅倫茲力只改變粒子的運(yùn)動(dòng)方向，使它們作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。正離子的質(zhì)量比電子的大得多，因此其回旋半徑大，距磁力線要遠(yuǎn)。

24、 當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁力線不垂直時(shí)，帶電粒子則按螺旋狀軌道運(yùn)動(dòng)。,羅侖茲力＝qvB,電子在均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)初速度方向和磁場(chǎng)垂直,（4） 阿爾文波－－磁流體力學(xué)波 1942年阿爾文發(fā)現(xiàn)了磁流體力學(xué)波。 在等離子體和磁場(chǎng)凍結(jié)在一起的情況下，磁力線存在著張力。彈撥樂器的弦線，在外力的作用下，就發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生沿弦線方向的橫波傳播。粘附著等離子體的磁力線也像一根弦線一樣，當(dāng)在垂直磁力線方向上受到擾動(dòng)后，

25、也會(huì)產(chǎn)生一種橫波。,阿爾文波速度公式 阿爾文波的速度僅是磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）和密度（ρ）的函數(shù)。磁場(chǎng)越強(qiáng)，密度越小，速度越大。,無人相信阿爾文波 流體力學(xué)理論認(rèn)為一般的理想流體中是沒有橫波的。阿爾文提出后，學(xué)術(shù)界無人相信。 實(shí)驗(yàn)證實(shí) 阿爾文用水銀作實(shí)驗(yàn)，磁場(chǎng)是1000高斯，結(jié)果得到了速度約為75厘米/秒的阿爾文波。確認(rèn)阿爾文波存在，并與理論估計(jì)的一致。,（5）太陽活動(dòng)規(guī)律及其解釋 1

26、，太陽黑子相對(duì)數(shù)變化的11年周期。 2，在11年活動(dòng)周期中，黑子分布呈現(xiàn)蝴 蝶狀從高緯到低緯的變化。每只蝴蝶 對(duì)應(yīng)一個(gè)活動(dòng)周。 3，日面上的偶極黑子群中，前導(dǎo)黑子總 是與后隨黑子的極性相反。 4，太陽磁極性變化有22年周期。,太陽黑子理論 1942年，阿爾文就用阿爾文波來解釋太陽黑子的形成和它們的11年周期性變化，逐漸發(fā)展成為系統(tǒng)的太陽黑子理論。 太陽黑子中的

27、對(duì)流過程可以激發(fā)出阿爾文波，由于阿爾文波沿磁場(chǎng)傳播把能量帶走，導(dǎo)致黑子內(nèi)部溫度下降，從而解釋黑子的溫度比較低的觀測(cè)事實(shí)。,太陽活動(dòng)周的理論解釋,圖（a） 太陽普遍磁場(chǎng) 在太陽的相對(duì)淺層內(nèi)有南北方向的磁場(chǎng)，磁力線在光球之下； 磁力線在太陽一個(gè)極區(qū)穿出，從另一個(gè)極區(qū)穿入（圖a）,條形磁鐵的磁力線分布情況磁鐵外部的磁力線都是從磁鐵的N極出來，進(jìn)入S極的。,圖（b）磁凍結(jié)和較差自轉(zhuǎn) 物質(zhì)和磁力線彼此

28、“ 凍結(jié)” 在一起，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)也要把磁力線帶著一起運(yùn)動(dòng)。（圖b） 較差自轉(zhuǎn)使磁力線纏繞，使磁場(chǎng)增強(qiáng)，局部擾動(dòng)也使磁場(chǎng)增強(qiáng)，出現(xiàn)局部強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)。,太陽的較差自轉(zhuǎn)太陽赤道轉(zhuǎn)得快： 約26天轉(zhuǎn)一圈極區(qū)轉(zhuǎn)得慢：約35天轉(zhuǎn)一圈,太陽赤道轉(zhuǎn)得快： 約26天轉(zhuǎn)一圈極區(qū)轉(zhuǎn)得慢：約35天轉(zhuǎn)一圈,圖（c）磁浮力 磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁浮力越大。把光球之下的物質(zhì)連同凍結(jié)在一起的磁力線浮出光球表面，磁力線并未斷開，形成“

29、 雙足‘” ，即雙極黑子（圖c）,圖(d) 極區(qū)磁場(chǎng)的抵銷與反轉(zhuǎn)磁極 太陽活動(dòng)前半周，黑子出現(xiàn)在高緯度，偶極群的后隨部分逐轉(zhuǎn)漸向極區(qū)擴(kuò)散，不斷和極區(qū)磁場(chǎng)中和，使極區(qū)磁場(chǎng)減小。在活動(dòng)極大期，極區(qū)磁場(chǎng)全部被中和掉。接著開始了極區(qū)磁性的反轉(zhuǎn)。,(6)太陽系演化 幾十種太陽系起源的學(xué)說可分為兩類。一類認(rèn)為太陽系是由同一塊星云物質(zhì)凝聚而成的，另一類則認(rèn)為太陽系是一次突然的災(zāi)變中產(chǎn)生的。20世紀(jì)的研究，星云

30、說占上風(fēng)。 1942年以后阿爾文發(fā)表了一系列的論文，并在1954年和1976年出版專著《太陽系的起源》和《太陽系的進(jìn)化》。成為影響較大、比較成熟的一種。,太陽系形成的 拉普拉斯星云說 一團(tuán)熾熱的球形星云由于冷卻收縮和自轉(zhuǎn)離心力的作用分離出一個(gè)個(gè)氣體環(huán)。收縮使自轉(zhuǎn)加快，形狀變扁。 引力和離心力相等時(shí)停止收縮，離心力超過引力時(shí)便分離出一個(gè)圓環(huán)，最后形成行星。,阿爾文的太陽系的起源學(xué)說 高

31、度電離的星云具有磁場(chǎng)，星云的中心部分形成太陽，并具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)。太陽磁場(chǎng)控制太陽附近的電離氣體云保持在太陽附近約0.1光年的距離內(nèi)。 附近的星云由于冷卻慢慢地還原為中性氣體，中性原子不再受磁場(chǎng)約束，在太陽引力作用下不斷地向太陽下落。 中性的星云氣體在下落的過程中，引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，溫度逐步升高而再度電離。受太陽磁場(chǎng)的約束而停止向太陽下降而形成行星。 不同元素的電離氣體云在離太陽不同的地方停下來，形成不同的行星。,解釋太陽系角動(dòng)量

32、的分布 阿爾文的學(xué)說強(qiáng)調(diào)了形成太陽系行星系 統(tǒng)中電磁的作用。 太陽具有比較強(qiáng)的偶極磁場(chǎng)，可以一直 延伸到太陽附近的幾塊電離云中，太陽 在自轉(zhuǎn)，磁力線自然也跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 并帶著附近的幾塊電離云一起轉(zhuǎn)動(dòng)，電 離云由此獲得角動(dòng)量。 在這個(gè)過程中，太陽自轉(zhuǎn)速度逐步減慢 的過程中把角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電離云物質(zhì)。,阿爾文出版專著1948年阿爾文出版《宇宙動(dòng)力學(xué)》，1963年又出版《宇宙電動(dòng)力學(xué)》專著?？偨Y(jié)