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黑子为什么那么黑（上）
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來自 Nanjing University 的課程
天文探秘
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從本節課中
太阳
本章节主要介绍与我们日常生活息息相关的一个天体——太阳，包括太阳的震动、内部情况、太阳风，以及常见的一类现象——太阳黑子。
與講師見面
施勇教授
天文与空间科学学院
谢懿副教授
天文与空间科学学院
陈鹏飞教授
天文与空间科学学院
李向东教授
天文与空间科学学院
周济林教授
天文与空间科学学院
好，开始第四讲，就是黑子啊为什么会那么黑？ 当然，这个问题，可能大家已经在，中小学看这个科普书之外看过了
黑子其实是非常典型的，也是观测肯定是最悠久的一个太阳的这个活动现象
那你看我们中国的汉字，这个太阳的"日" 它就是一个圈中间有一点，那其实就是可能在我们
在那时候创造汉字的时候，中国古代人已经 看见过太阳上有黑子。
那像类似的月亮为什么是里面有 还有一横，除了这个，弯月亮中间还有一横，那是什么？
按照我的理论，那是环形山
所以就是，中国古代很早那肯定创造汉字之前就观测到这个 太阳上是有黑子的。
而在这个史书上也是有很多记载，比如说，《周易》上就有"日中见斗" 或者"日中见沫"。
这个真正被国际上承认的这个历史书啊，叫《汉书》。
就这是第一个，就在被国际上承认在史书上记载的这个 黑子就是《汉书》。
《汉书》记载这个成帝和平元年， "三月乙未，日出黄，有黑气大如钱， 居日中央"。
就说，这个，在这个太阳中央有个非常大的 黑子啊，通常呢黑子要比较大才能被肉眼看见，那小的黑子是看不见的了。
咳，像长长沙马王堆出土的这个汉墓有一个帛画
像这个，在下面这个图的右上角，有一个太阳，中间有一个乌鸦。
这就是著名的这个《日中乌》，那也就是说 日中有乌啊，就是，很可能就是，描述这个太阳上有黑子的这个一个天象
当中国古代实际上从，那个 从自《汉书》，到近代，到就说几百年前
大概有一百多次的这个日食的记载，到比如说到一十七世纪
那真正地对黑子进行系统的观测的话是，发现了，发明了望远镜，对吧？
那伽里略发明了这个天文望远镜，在1609年，这时候他把望远镜对准了天空，这个星空 也既看这个月亮、
金星，也看太阳，那才发现太阳上有很多黑子，太阳并不那么完美。
当初，这个伽里略用的望远镜就是这么一个 小小的，然后据说这个望远镜目前流落到了我们国家
那自从这个有了
望远镜的观测，那黑子的数目就可以，就观测得非常清楚，也就有了这个详细的记录 就自从1609年开始，就有了一些纪录
那这样呢，时间长了之后，你就会发现这个黑子的数目，它有一个周期，对吧？ 大家知道的，著名的十一年的这个周期。
但严格意义 上讲，它其实不应该叫周期，它应该叫准周期，就十一年的一个准周期 为什么呢？有几个原因。
第一个就是，它的周期有时长有时短 那短的是8.9年，长的呢是14年。
就是它并不稳定 第二就是黑子这个，它的数的峰值，它也是变化无常，有时多有时少
然后第三点，甚至，它有的时候会出现， 几十年，三、 四十五十年的这个没有黑子的时期。
举个例子，在这个1650年到这个1700年， 就有一段时间，这个叫蒙德极小期，那这时候，太阳几乎没有黑子啊。
然后那段时期叫，就说对应地球上的是小冰期。
对应在我们国家大概是，李
这个，李自成起义，民不聊生，所以起义，当然跟这个黑子也有关系。
那我们来看一下，这个黑子的结构。
这是，目前世界上最高分辨率的望远镜观测的黑子，你会看到
这个黑子有最黑的地方，那是本影，对吧？ 那旁边灰色的地方，它是半影。
这个黑子跟地球差不多大。
然后你看它宁宁曲曲的很多米粒结构，那都是对流的圆包，就跟烧开水一样。
一个米粒的大小是大概一千公里。
所以，因为现在太阳离我们最近，所以可以观测到非常得仔细。
这个，本影是
这个本影是宁静，是宁静区这个亮度太黑，是只有百分之二十到三十的量。
那半影呢，是宁静区这个亮度在百分之七十五到百分之八十五。
一个很重要的问题，就是为什么它是黑
这块为什么会黑？如果你拿这个，在你们学量子力学的时候，会学一个塞，呃，塞曼效应。
就是，一个原子在磁场上面，它的发射的谱线会分裂。
这时候，用这个就可以，这分裂的这个大长，大小跟这个磁场 成正比，根据这个塞曼效应你就可以去测量这个磁场
就会发现黑子存在的地方，都是这个磁场非常强。
这是给大家看这个太阳表面的磁场，正的，这个白的是正极，就出来，黑的是负极，就磁力- 线进去。
你会看到它有不同的极性。
从这个图里面你也可以看到另外一个特征 这个太阳表面的磁场，它在南北球有一有一个正好相反的规律，有没有注意到？
比如说，以北半球为例，这个。
这个右边，它是每一个，这个黑子啊，它总成对出现对吧？磁力线正极负极对不对？
所以，以北半球为例，它这个是正极在右边，负极在左边对吧？
而南，南半球正好反过来，负极在右边，正极在左边。
所以这个也是需要解释的一个特征那。
那为什么这个，这个为什么黑子那么黑？是因为它磁场非常得强。
为什么强的磁场就会导致这块黑呢？那么来看一下刚才上一讲讲过的 太阳的这个能量来自于这个核球的，核聚变。
然后经过这个辐射层，然后进入这个对流区对吧？ 然后通过这个在对流区0.7个太阳半径到太阳表面，以对流的方式把能量带出来
那如果在这块磁场非常的强的话 你想，这个粒子啊，它是总是被磁场束缚住对吧？
所以如果磁场非常强，你这个这个对流就会就会被抑制住，对不对？ 所以就很难对流，也会有，但是大大地减弱。
所以，这就为什么会导致 这块这个，因为对流运动不起来，磁场有一个阻碍，阻碍它
因为你这个流体，它不是空气，它是等离子体，它是被磁场约束着。
所以，它，它这个对流就被抑制了。
抑制了之后，这块就会变黑。
所以那强磁场，它又是怎么形成的呢？ 那是因为，我们刚才讲日震学的时候，提到
在这个对流区这个底部，在0.7个太阳半径的地方，这块这个 太阳自转的这个角速度，变化得非常剧烈，对吧？
里面是刚体，啊，这个刚体自转，外面是非常强的交叉自转。
所以这块的角速度梯度非常强。
角速度强的地方，就很容易出现这个，产生发电机效应。
就是产生了这个磁场，即使你初始磁场，很弱，非常微弱，甚至是原初的，恒星形成的那- 个磁场。
由于这种交叉自转，非常强的交叉自转，就可以把它放大，这就跟兰州拉面一样。
开始只是一条，然后你不断地拉，就会变成很，几百条。
这个例子以这个图来给大家说明这个为什么就发电机理论啊，就为什么会产生强磁场。
假设最早开始磁场很弱，只有一根磁力线对吧？ 磁场强度是描述这个单位面积这个磁场磁通量，所以假设只有一根
是穿过这个对流区的底部，现在呢，由于这个交叉自转的存在
这个赤道转得快，那个两极转得慢，所以开始是沿着这个子午面是一条磁力线的
那转了一圈之后，赤道再多一点，对吧？然后转两圈之后，赤道再转得更多
然后时间长了之后，就是缠了很多圈，对不对？ 所以这根磁力线就绕着这个太阳绕了很多圈，就形成了最右边这个图
所以，开始只有一根磁力线，到后来可能变成了几百几千根磁力线。
所以这样的话，就在这个对流区的底部，产生了大概 十万高斯强的磁场。
而十万高斯强的磁场 强磁场，它是不稳定的。
这个，也是刚才 提到的帕克，叫尤金帕克，他提出来的，叫帕克不稳定性。
就如果，这个水，沿着水平方向有一个非常强的磁场，
那它属于会产生一个帕克不稳定性，而什么理解呢？就是假设有一个扰动使得它抬起来一点点
抬起来一点点，那在这上面的物质，在重力的作用下，就会往下掉，对吧？
往下掉了，这块的密度就变低了，对不对？ 变低了，它比旁边低的话，它会就有一个浮力，对吧？就接着往上冒
越往上冒，物质掉的越多，所以最后就冒出来 所以这样的话，在0.7个太阳半径那地方产生的十万高斯强的磁场，
由于帕克不稳定性，它就中途在某个地方，会拱起来，然后就冒出来。
冒出来这个磁力线，冒出来了之后，那你可以想象
冒出来一，这个正一根，肯定一端是正极，另外一端是负极，对吧？在这个太阳表面
所以，给大家看一个电影，这个
比如说这是一个太阳黑子啊，那上面是它的磁力线，我们再深入到太阳内部去看一下它
好，我们假设乘坐宇宙飞船钻到太阳里面去 在假想着啦，好，进去啦！它磁力线往外，由于帕克不稳定性往外开始冒
冒的时候，它就，在这个主点这块，因为它有磁强磁场 所以，就抑制住了对流，使得这块的温度比周围要低个一千度。
所以这块就黑啦，所以这就是你看到为什么这块有黑子
那，对于这是一个假想的图，那
真正的呢，你可以去通过计算机去模拟，那这篇文章也是美国人做在发表在这个《Scien- ce》杂志。
我们来看一下，它们做的模拟，简直跟真的一样，这拿计算机做的模拟。
我们来看一下，这是他们用大型计算机去模拟的
这个整个这个太阳内部的磁力线，由于帕克不稳定性，浮现到太阳表面产生黑子的过程
你会看到，这个，从我们俯视图，看这个太阳，很多米粒。
这个图分成上下两部分，上面是俯视图，就是我们看太阳表面
下面一截呢，是在中间取了一个截，横断面，看它的内部的结构
你会看到有磁力线开始，在下面这个浮出来，就是那个黄色 变黄，变这个有点白的，它开始慢慢在浮上来。
你会看到很强的磁力线，开始往上浮，浮现之后在太阳表面形成了两个 黑子。
然后它的横截面，你就会看到，横截面 一个，取一个剖面，你会看到这两个磁流管的对吧，两个腿
[录音_空白] 这是到目前为止，就是最先进的这种模拟，这种结果啦
[音乐] [音乐]
