太阳观测

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太阳观测是研究太阳及其行为以及与地球和太阳系其余部分的关系的科学努力。几千年前人类就开始了对太阳的仔细观测。最初的直接观测时代在17世纪被望远镜所取代，随后在20世纪被人造卫星所取代。

史前[编辑]

地层的资料表明，太阳周期至少已经持续发生了数亿年；在前寒武纪沉积岩中量测季候泥（纹泥）揭示了与周期相对应的层厚度与重复的峰值。地球上早期的大气层对太阳辐射可能比今天更敏感，因此在太阳黑子活动更频繁的年份可能会发生更大的冰川融化（和更厚的沉积物沉积）[1][2]。 这将假定为每年度分层；然而，也有人提出了其它的解释（昼夜）[3]。

对树木年轮的分析揭示了过去太阳周期的详细情况：树木年代测定放射性碳的浓度可以重建11,400年的太阳黑子活动[4]。

早期观察[编辑]

自巴比伦尼亚时代以来，太阳活动和相关事件就被定期记录下来。公元前8世纪[5]，他们描述了日食，并可能根据命理学的规则预测日食。现存最早的太阳黑子报告可以追溯到中国的《易经》（公元前800年）。书中使用的短语为“日中见斗”和“日中见沫”，其中“斗”和“沫”会变暗或模糊（根据上下文）。中国的天文学家经常在皇帝的要求下进行观测，而且不是独立地进行观测[5]。

西方文献中第一次明确提到太阳黑子是在公元前300年左右，由古希腊学者泰奥弗拉斯托斯做出的，他是柏拉图和亚里士多德的学生，也是后者的继任者[6]。公元807年3月17日，本笃会僧侣阿德尔姆斯观测到一个巨大的太阳黑子，持续了八天；然而，阿德尔姆斯错误地得出结论，他正在观测水星的凌日[7]。

现存最早的有意识观测太阳黑子的记录可以追溯到公元前364年，基于中国天文学家甘德在星表中的评论[8]。到公元前28年，中国天文学家定期在官方的皇家文献中记录太阳黑子的观测结果[9]。

公元813年，查理曼大帝去世前不久，观测到了一个巨大的太阳黑子[10]。伍斯特的约翰（英语：John of Worcester）描述1129年的太阳黑子活动由，埃弗罗斯在12世纪后期的太阳黑子进行了描述[11]；然而，这些观测结果也被误解为行星凌日[12]。

拜占庭历史学家狮子·迪亚科努斯（英语：Leo the Deacon）首次明确提到了日冕。他写到他在君士坦丁堡（今土耳其伊斯坦布尔）经历的968年12月22日的日全食[13]：

在这一天的第四个小时 ...黑暗笼罩着大地，所有够明亮的星星都闪耀着光芒。而且可以看到太阳的圆盘，暗淡而不发光，但还有一种暗淡而微弱的光芒，就像一条窄带在圆盘边缘围成一圆圈闪耀着。

——狮子·迪亚科努斯（英语：Leo the Deacon）[13]
Black and white drawing showing Latin script surrounding two concentric circles with two black dots inside the inner circle
伍斯特的约翰（英语：John of Worcester）编年史中的一幅太阳黑子图[14]

已知最早的太阳黑子绘图记录是伍斯特的约翰（英语：John of Worcester）在1128年创作的[14]。

罗马皇帝洛塔尔三年，英国国王亨利二十八年... 12月8日星期六，从早上一直到晚上，有两个黑色的球体映衬在太阳上。

——伍斯特的约翰（英语：John of Worcester），伍斯特约翰编年史, 引用于亚伯特·范·赫尔登, 1996.[15]

另一个早期观测是在诺夫哥罗德第一编年史（英语：Novgorod First Chronicle）中描述的1185年的太阳日珥[13]。

傍晚时分，出现了日食。天空越来越暗，看到了星星... 太阳在外观上变得与月球相似，从它的角出现有点像活着的余烬。

——诺夫哥罗德第一编年史（英语：Novgorod First Chronicle） [13]

17世纪和18世纪[编辑]

1794年撒母耳·邓恩地图（英语：A General Map of the World, or Terraqueous Globe）中的太阳黑子。

焦尔达诺·布鲁诺和约翰尼斯·开普勒提出了太阳绕轴旋转的观点[16]。英国天文学家托马斯·哈里奥特于1610年12月18日（公历，英国尚未采用）首次用望远镜观测到太阳黑子，记录在他的笔记本上[17]。1611年3月9日（格历，东弗里西亚也尚未采用），弗里斯兰医学生Johann Goldsmid（拉丁译名约翰内斯·法布里奇乌斯（英语：Johannes Fabricius））观测到了它们，随后他与牧师兼天文学家的父亲大卫·法布里奇乌斯（David Fabricius）合作，进行了进一步的观测，并于1611年6月在一本小册子中发表了描述[18]。法布里奇乌斯使用暗箱望远镜来更好地观察太阳盘面，并且像哈里奥特一样在日出后不久和日落前不久进行观测。约翰内斯是第一个意识到太阳黑子揭示太阳自转的人，但他于 1616 年 3 月 19 日去世，享年 26 岁，一年后他的父亲也去世。 一些科学家，如约翰尼斯·开普勒、西门·马里乌斯和迈克尔·梅斯特林（英语：Michael Maestlin），都知道法布里奇乌斯的早期太阳黑子工作，事实上，开普勒在他的著作中反复提到。然而，就像哈里奥特一样，他们的工作在其他方面并不为人所知。几乎可以肯定，伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）与哈里奥特（Harriot）同时开始望远镜观测，因为他在1609年听说荷兰的专利后制造了他的第一架望远镜，而且他之前曾设法用肉眼观察太阳黑子。据报导，他还向罗马的天文学家展示了太阳黑子，但我们没有日期的记录。我们从伽利略那里得到的太阳黑子望远镜观测记录直到1612年才开始，因为当时它们的品质和细节是前所未有的，因为那时他已经开发了望远镜设计并大大增加了它的放大倍率[19]。同样的，克里斯多夫·沙伊纳可能一直在使用他自己设计与改进的太阳望远镜来观察这些斑点。伽利略和沙伊纳都不知道哈里奥特或法布里奇乌斯的工作，他们争夺这一发现的功劳。1613年，伽利略在《太阳黑子的信（英语：Letters on Sunspots）》中驳斥了沙伊纳1612年关于太阳黑子是水星轨道内行星的说法，表明太阳黑子是太阳表面的特征[18][20]。

尽管直到20世纪才发现太阳黑子的物理，但观测仍在继续[21]。17世纪，由于太阳黑子数量较少，这一研究受到了阻碍，现在人们认为这是一个长期的低太阳活动期，即蒙德极小期。到了19世纪，足够的太阳黑子记录使研究人员能够推断出太阳黑子活动周期的周期性。1845年，亨利和亚历山大用热电堆观测了太阳，并确定太阳黑子比周围地区发射的辐射更少。后来从太阳光斑观测到发射出高于平均水准的辐射[22]。 太阳黑子在关于太阳系性质的争论中具有一定的重要性。它们表明太阳的自转，它们的消长表明太阳发生了变化，这与亚里士多德的观念相左。亚里士多德曾教导所有天体都是完美的、不变的球体。

1650年至1699年间很少有太阳黑子的记录。后来的分析表明，问题是太阳黑子数量减少，而不是观测失误。在古斯塔夫·史波勒的工作基础上，安妮·蒙德和爱德华·蒙德认为太阳已经从一个太阳黑子几乎消失的时期转变为从1700年开始的太阳黑子周期的更新。除了对没有太阳周期的理解之外，还有对极光的观测，除了在最高的磁纬度地区外，它们同时也不存在[23]。

1715年之前也注意到在日食期间没有日冕[24]。

1645年至1717年的低太阳黑子活动期后来被称为"蒙德极小期"[25]。约翰·赫维留斯、让·皮卡德（英语：Jean Picard）和乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼等观察家证实了这一变化[20]。

19世纪[编辑]

太阳光谱学[编辑]

在1800年威廉·赫雪尔检测到红外辐射和约翰·威廉·里特（英语：Johann Wilhelm Ritter）检测到紫外线辐射之后，威廉·海德·沃拉斯顿注意到通过玻璃棱镜观察时，注意到在太阳光谱中出现了暗线。稍后，约瑟夫·夫朗和斐在1814年也独立发现了这些线，并以他的名字命名为夫朗和斐谱线，1817年开启了太阳光谱学。其他物理学家发现，太阳大气层的性质可以通过它们来确定。推动光谱学发展的著名科学家有大卫·布儒斯特、古斯塔夫·基尔霍夫、罗伯特·威廉·本生和安德斯·埃格斯特朗 [26]。

太阳周期[编辑]

海因利希·史瓦贝（1789-1875）。德国天文学家，通过对太阳黑子的长期观测发现了太阳周期。
鲁道夫·沃夫（1816–1893）。瑞士天文学家，对17世纪的太阳活动进行了历史重建。
太阳黑子数的400年历史资料。

1826年至1843年间，海因利希·史瓦贝首次观测到太阳黑子数量的周期性变化[27]。 鲁道夫·沃夫研究了历史记录，试图建立太阳变化的历史。他的数据只延伸到1755年。1848年，他还建立了一个太阳黑子相对数公式，用不同的设备和方法来比较不同天文学家的工作，现在被称为沃夫（或苏黎世）太阳黑子数。

古斯塔夫·史波勒后来提出，1716年之前的70年期间，很少观测到太阳黑子，这是沃夫无法将周期延长到17世纪的原因。

同样在1848年，约瑟·亨利将太阳的影像投影到营幕上，并确定太阳黑子比周围的表面更冷[28]。

1852年左右，艾德华·色宾、沃夫、让-阿尔弗雷德·高蒂尔和拉蒙特的约翰独立发现了太阳周期和地磁活动之间的联系，引发了对太阳和地球之间相互作用的首次研究[29]。

在十九世纪下半叶，理查·克里斯多福·卡林顿和史波勒独立地注意到，随着周期的发展，太阳黑子活动向太阳赤道迁移。这种模式以所谓的蝴蝶图的形式最为直观，最早由爱德华·沃尔特·蒙德和安妮·罗素·蒙德在20世纪初构建（见图）。太阳的影像被以纬度划分，并计算太阳黑子在表面分布的月平均数。它被垂直绘制为一个彩色编码条，并逐月重复该过程以生成时间序列图

太阳黑子蝴蝶图。这个现代版本是由NASA马歇尔太空飞行中心的太阳组建造的（并定期更新）。

半个世纪后，哈罗德和霍勒斯·W·巴布科克父子的团队表明，即使在太阳黑子之外，太阳表面也被磁化了； 这个较弱的磁场是一阶偶极；并且这个偶极子以与太阳黑子周期相同的周期经历极性反转（见下图）。这些观测结果表明，太阳周期是展开在整个太阳上的一个时空磁过程。.

在连续的太阳自转中，平均太阳磁场径向分量的时间与太阳纬度图。太阳黑子的“蝴蝶”特征在低纬度地区清晰可见。图由美国国家航空航天局的马歇尔太空飞行中心太阳组绘制并定期更新。

照相术[编辑]

1845年4月2日，法国物理学家阿尔芒·斐索和里昂·傅科首次拍摄到太阳。太阳黑子，以及周边昏暗效应，在它们的银版中都可见到。摄影帮助研究了日珥、太阳的米粒和光谱学。查理斯·A·杨于1870年首次拍摄到日珥。日食也被拍摄到，最有用的早期影像是1851年由伯科夫斯基（Berkowski）拍摄的，德拉鲁的团队也在1860年在西班牙拍摄到[29]。

自转[编辑]

在1858年，理查·C·卡林顿和史波勒独立确定与估计的太阳自转周期在25到28天之间。他们发现，在每个周期中，多数太阳黑子的纬度从40°下降到5°，而在高纬度地区，太阳黑子的旋转的速度较慢。太阳的自转随纬度的变化而变化，因此其外层必须是流动的。在1871年，赫尔曼·沃格尔和卜久之后的查理斯·奥古斯都·杨（英语：Charles Augustus Young）在光谱学上证实了这一点。尼尔斯·杜奈尔在19世纪80年代的光谱观测显示，太阳赤道较快的区域和极地较慢的区域之间有30%的差异[29]。

太空天气[编辑]

第一个现代的，明确描述太阳耀斑和日冕物質拋射的记录分别发生在1859年和1860年。1859年9月1日，理查·C·卡林顿在观测太阳黑子时，在一组太阳黑子中看到了越来越亮的光斑，然后这些光斑在几分钟内变暗，并穿过该区域。R·霍奇森也报导了这一事件，是对太阳耀斑的描述。1860年7月18日的日全食引起了人们的广泛关注，画出了许多与现代日冕物質拋射观测相对应的特征[26]。

几个世纪以来，人们注意到太阳变化对地球的影响，但并不了解。例如，极光的显示长期以来一直在高纬度地区被观察到，但没有被与太阳联系在一起。

1724年，乔治·格雷厄姆 (钟表匠)报告称，磁罗盘的指针每天都会经常偏离磁北。最终在1882年，鲍尔·斯图尔特（英语：Balfour Stewart）将这种效应归因于在电离层和磁层中流动的架空电流，并于1889年由亚瑟·舒斯特（英语：Arthur Schuster）通过对磁观测数据的分析证实了这一观点。


1852年，官拜英国少将的天文学家艾德华·色宾（英语：Edward Sabine）表明，地球上发生磁暴的概率与太阳黑子的数量有关，从而证明了一种新的日地相互作用。1859年，一场巨大的磁暴造成了明亮的极光展现，并扰乱了全球的电报操作。理查·卡林顿正确地将风暴与他前一天在一个大型太阳黑子群附近观察到的太阳耀斑联系起来，从而证明特定的太阳事件可能会影响地球。

克里斯蒂安·伯克兰通过在实验室中创造人造极光来解释极光的物理，并预测了太阳风。

20世纪[编辑]

天文台[编辑]

20世纪初，美国对天体物理学的兴趣日益浓厚，并建造了多个天文台[30]。:320于1904年安装在加利福尼亚州的威尔逊山天文台的太阳望远镜以及太阳天文台[30]，:324以及在20世纪30年代的麦克玛斯-胡伯特天文台（英语：McMath–Hulbert Observatory）[31]。世界其他地区的兴趣也在增长，世纪之交在印度建立了科代卡纳尔太阳天文台（英语：Kodaikanal Solar Observatory）[32]，爱因斯坦塔于1924年在德国开始运作[33]，以及1930年日本国立天文台的太阳塔望远镜[34]。

1900年左右，研究人员开始探索太阳变化与地球天气之间的联系。史密松天体物理台（SAO）指派查理斯·艾博特及其团队探测太阳辐射的变化。他们首先发明了量测太阳辐射的仪器。后来，当艾博特担任SAO负责人时，他们在智利的卡拉马建立了一个太阳站，以补充威尔逊山天文台的数据。他在273个月海尔周期内检测到27个谐波周期，包括7个月、13个月和39个月的模式。他通过将一个月内相对的太阳趋势与相对的都市温度和降水趋势相匹配等管道来寻找与天气的联系。随着树木年代学的出现，格洛克等科学家试图将树木生长的变化与太阳的周期性变化联系起来，并从千禧年尺度年表的类似变化中推断出太阳常数的长期变化[35]。

日冕仪[编辑]

因为只有在罕见的日全食期间才能看到日冕，因此直到20世纪30年代，人们对太阳日冕的了解几乎没有进展。1931年，贝尔纳·费迪南·李奥发明了日冕仪，这是一种带有附件的望远镜，可以阻挡来自太阳盘面直射的光，从而可以在白天对日冕进行研究[26]。

太阳单色光照相仪[编辑]

美国天文学家乔治·海尔在就读麻省理工学院的大学生时期发明了太阳单色光照相仪（英语：Spectroheliograph），并用它发现了太阳涡旋。1908年，海尔使用改良的太阳单色光照相仪，展现出每当视野区域经过太阳盘面上的太阳黑子时，氢的光谱都会出现塞曼效应。这是太阳黑子基本上是磁现象的第一个迹象，磁现象以相反的极性对出现[36]。海尔e随后的工作表明，太阳黑子的磁极呈东西向排列的强烈趋势，在太阳赤道上呈镜像对称； 并且每个半球的太阳黑子磁极从一个太阳周期转换到下一个太阳周期时磁性会反转[37]。太阳黑子磁场的这种系统性质现在通常被称为“海尔定律（英语：Hale–Nicholson law）”[38]，或者在许多情况下只是“海尔定律”。

太阳电波暴[编辑]

主条目：太阳电波发射

无线电的引入揭示了极端静止或噪音的时期。在1942年的一次大型太阳活动中，严重的雷达干扰（英语：Radar jamming and deception）导致了太阳电波暴的发现。

人造卫星[编辑]

许多位于地球轨道或日球层的人造卫星都部署了各种太阳望远镜和仪器，用于粒子和场的“现场”量测。太空实验室，一个著名的大型太阳观测设施，是在国际地球物理年运动和美国国家航空航天局设施的推动下发展出来的。在一份不完整的清单中，其它太空探测器包括OSO系列、SMM、阳光号卫星、SOHO、ACE、TRACE和 SDO等；还有其它探测器（如信使号、费米和NuSTAR）通过单独的仪器进行了太阳量测。

通过对太阳极大期任务卫星（1980年发射）上的ACRIM1实验进行的总日照强度（TSI）的量测，证实了磁活能层域对太阳辐射热的调制以及更微妙的影响[39]。这些调制后来在1978年的尼姆布斯7号（英语：Nimbus 7）卫星上发射的ERB实验结果中得到了证实[40]。ACRIM-3和其他卫星继续进行卫星观测[41]。

量测代理[编辑]

在过去的三个周期中，直接日照强度的量测是由多颗观测卫星组成的[41][42]。然而，日照强度测量值和其它的太阳活动之间的相关性，使得对早先周期的太阳活动进行估计是合理的。这些代理中最重要的是自1610年以来记录的太阳黑子观测记录。因为大气层对10.7厘米这种波长是透明的，波长10.7厘米的太阳电波发射提供了另一种可以从地面量测的替代物。

其它代理数据——比如宇宙成因核素（英语：Cosmogenic nuclide）同位素的丰度——已经被用来推断几千年来的太阳磁活动，进而推断可能的亮度。

总日照强度的变化是太阳黑子变化或电波发射无法预测的。这些偏移可能是卫星校准不准确的结果[43][44]。日照强度可能存在长期趋势[45]。

其它发展[编辑]

直到20世纪90年代，太阳一直是唯一一颗表面被解析的恒星[46]。其他主要成就包括对[47]：

  • X射线发射环
  • 日冕和太阳风
  • 太阳亮度随活动水准的变化以及对其它太阳型恒星验证这种的影响。
  • 在像太阳这样的恒星的可见表面，磁场强烈的纤维状态。
  • 根据上升的方位通量束的动力学推断，在对流层的底部可能是以某种原纤维的形式，存在0.5×105到1×105高斯的磁场。
  • 来自太阳核心的低水准电子中微子发射[47]。

21世纪[编辑]

美国国家航空航天局2006年的预测。在2010/2011年，太阳黑子数量预计将达到最大值，但实际上在2010年仍处于最小值。

卫星仪器观测到的最强的耀斑始于2003年11月4日协调世界时19:29，仪器饱和了11分钟。据估计，486区产生的X射线通量分类为X28。全息图和视觉观测表明，在太阳背面时仍有显著的活动。

在21世纪第一个十年的后半段进行的太阳黑子和红外光谱线量测表明，太阳黑子活动可能再次消失，可能导致新的极小值[48]。从2007年到2009年，太阳黑子的水准远低于平均水准。在2008年，有73%的时间太阳表面是没有黑子的，即使在太阳活动极小期，这也是极端的。只有1913年更为明显，那一年85%的时间没有太阳黑子。太阳持续萎靡不振一直到2009年12月中旬，然后出现了数年来最大的太阳黑子群。即便如此，太阳黑子的水准仍然远低于最近周期的水准[49]。

2006年，美国国家航空航天局预测，下一个太阳黑子最大值将在2011年左右达到150到200（比第23太阳周期强30–50% ），随后是 2022 年左右的微弱极大期[50][51]。然而，2010年的太阳黑子仍处于周期的极小期，而当时它本应接近极大期，这表明了它不同寻常的衰减[52]。

第24太阳周期的极小期发生在2008年12月左右，下一个最大值预计将在2013年5月左右达到90太阳黑子数[53]。太阳北半球的月平均黑子数在2011年11月达到峰值，而南半球似乎在2014年2月才达到峰值，达到了102的月平均峰值。随后的几个月下降到70左右（2014年6月）[54]。2014年10月，太阳黑子AR12192成为自1990年以来观测到的最大太阳黑子[55]。从这个太阳黑子喷发的耀斑被归类为X3.1级太阳风暴[56]。

美国国家太阳天文台（NSO）和美国空军研究实验室（AFRL）的独立科学家在2011年预测，第25太阳周期将大为衰减，或者根本不会发生[57]。

参考资料[编辑]

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外部链接[编辑]

太阳内部结构
大气层
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