李愛(ài)云

(棗莊學(xué)院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

太陽(yáng)黑子周期與行星的引潮力

李愛(ài)云

(棗莊學(xué)院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

太陽(yáng)黑子周期的復(fù)雜性增加了人們發(fā)現(xiàn)其規(guī)律的困難,本文對(duì)黑子長(zhǎng)、短周期進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)周期存在7.1年、14.2年、21.3年、28.4年、42.6年的系列,短周期的時(shí)變性比長(zhǎng)周期的更明顯.對(duì)黑子周期的外部觸發(fā)機(jī)制做了討論,發(fā)現(xiàn)黑子周期與行星周期之間有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

太陽(yáng)黑子;周期;引潮力＊

0 引言

太陽(yáng)表面不平靜,有許多活動(dòng)現(xiàn)象,包括黑子、耀斑、日珥等.黑子是太陽(yáng)活動(dòng)的明顯標(biāo)志,其他活動(dòng)現(xiàn)象都與黑子有密切關(guān)系.黑子的出現(xiàn)有復(fù)雜的周期性,除了眾所周知的11年周期和22年磁周期外,還有約60年、80年、179年甚至更長(zhǎng)周期被發(fā)現(xiàn),另外還有各種更復(fù)雜的短周期.黑子周期復(fù)雜的原因,一方面是產(chǎn)生黑子的機(jī)制復(fù)雜,另一方面是人們的觀測(cè)認(rèn)識(shí)問(wèn)題.當(dāng)前公認(rèn)的黑子產(chǎn)生的內(nèi)部原因是太陽(yáng)對(duì)流層的磁活動(dòng)[1],而太陽(yáng)活動(dòng)的外部觸發(fā)因素也是多方面的,如行星對(duì)太陽(yáng)的引潮力[2],行星驅(qū)動(dòng)下太陽(yáng)質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)[3]等,這是黑子周期復(fù)雜的真正原因.黑子周期本身的復(fù)雜性也決定了人們發(fā)現(xiàn)其規(guī)律的艱難性,人們由于選用的資料和處理方法不同,可得出許多不同的結(jié)果.這對(duì)掌握太陽(yáng)活動(dòng)的規(guī)律,預(yù)報(bào)太陽(yáng)活動(dòng)不利.本文簡(jiǎn)要報(bào)告我們對(duì)太陽(yáng)黑子長(zhǎng)、短周期的統(tǒng)計(jì)分析方法和結(jié)果,并對(duì)各周期的產(chǎn)生原因作合理的推測(cè).

1 黑子的長(zhǎng)周期分析

圖1 258年太陽(yáng)黑子月均數(shù)(a)及其頻譜(b)Fig 1 An Bwerage Monthly Sunspot Numbers(a)and Amplitude(b)in 258 years

本文數(shù)據(jù)取自美國(guó)的《Solar Geophysical Data》中的太陽(yáng)黑子數(shù)月平均值為黑子長(zhǎng)周期的分析資料,時(shí)間是1749～2006年,共258年,這段時(shí)間的資料比較完整可靠.黑子數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖1(a),其頻譜見(jiàn)圖1(b).可見(jiàn),最明顯的周期是11.0年,其次是10.0年和11.8年,另外還有170年和68年.注意,這里有一個(gè)諧頻系列:7.1年、14.2年、21.3年、28.4年42.6年和170.7,都是7.1年的倍數(shù).這個(gè)7.1年系列從未見(jiàn)報(bào)道過(guò),但是,最近Obridko等人根據(jù)太陽(yáng)磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析得到過(guò)一個(gè)約7年的周期[4],而與170年周期相近的179年周期曾被發(fā)現(xiàn)[5].

2 黑子的短周期分析

太陽(yáng)黑子短周期分析的資料取自《Solar Geophysical Data》中1875-2004,共130年的太陽(yáng)黑子日均數(shù).其頻譜分析結(jié)果見(jiàn)圖2,振幅大于1.5的主要短周期標(biāo)在圖2上圖中,分別是:2.30年、2.11年、1.76年、1.09年、1.04年、1.00年、0.88年、0.648年.其中有6個(gè)周期與行星周期有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.它們是2.30年、2.11年、1.09年、1.04年、1. 00年、0.648年,分別對(duì)應(yīng)于火星和木星的會(huì)合周期2.24年、火星和地球的會(huì)合周期2. 14年、地球和木星的會(huì)合周期1.09年、地球和土星的會(huì)合周期1.04年、地球軌道周期1.00年、以及金星和木星的會(huì)合周期0.649年.

從下圖看出,由于所選資料不同,長(zhǎng)周期部分(下圖)與圖1顯示的有點(diǎn)差異,因?yàn)閳D1資料的時(shí)間跨度是圖2的2倍,圖1的結(jié)果更具有可靠性.但是,這也反映出黑子周期的時(shí)變性,所謂11年周期,是平均而言,實(shí)際每個(gè)周期的長(zhǎng)度都不精確一致,頻譜分析給出了所分析的這段時(shí)間內(nèi)各種周期所占的比例.比較而言,圖2中的短周期部分(上圖)比用黑子數(shù)月均值的效果好,原因是短周期的時(shí)變性比長(zhǎng)周期更明顯.

圖2 130年太陽(yáng)黑子日均數(shù)的頻譜Fig2 An Amplitude and Frequency o f"Sunspot in 130 yea rs

考慮到黑子周期的時(shí)變性,用多種方法進(jìn)行了分段頻譜分析,將這130年的黑子數(shù)日均值分別分成6段、12段分析,所得結(jié)果有較大差異.我們發(fā)現(xiàn):黑子的短周期成分非常復(fù)雜,每個(gè)周期的相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化幾乎無(wú)規(guī)律可循,但總趨勢(shì)是,周期越短的變化越大.

3 黑子周期的外部觸發(fā)機(jī)制討論

黑子周期的內(nèi)部機(jī)制被公認(rèn)的是太陽(yáng)的磁流發(fā)電機(jī)理論,而外部行星的引力作用被研究了將近150年,至今仍有較大的爭(zhēng)論.為了探求行星與太陽(yáng)黑子間的物理聯(lián)系,我們利用本文資料和結(jié)果初步調(diào)查它們間的唯像關(guān)系.鑒于上述分析,本文把注意力放在圖1的長(zhǎng)周期頻譜和圖2的短周期頻譜上.圖1中強(qiáng)度較大的三個(gè)周期,11.8年、11.0年和10.0年的來(lái)源比較明確,11.8年與木星的軌道周期11.86年相近,10.0年與木星和土星的會(huì)合半周期9.93相近,而11.0年則與這兩個(gè)振動(dòng)合成的振動(dòng)周期非常接近[2].本文認(rèn)為,行星對(duì)太陽(yáng)的作用僅是一個(gè)受迫振動(dòng)的外力,根據(jù)振動(dòng)理論,太陽(yáng)對(duì)流層的等離子體振動(dòng)的振幅除了與外力的大小成正比外,還與外力頻率和固有頻率的平方差以及阻尼情況有關(guān),只有外力頻率滿足共振條件時(shí),等離子體振動(dòng)振幅最大,從而觸發(fā)黑子的增加.而太陽(yáng)物質(zhì)的固有振動(dòng)波應(yīng)為駐波,波長(zhǎng)和頻率是量子化的,因此黑子頻譜中會(huì)出現(xiàn)一系列諧波周期.將黑子其他周期與行星周期比較,的確發(fā)現(xiàn)它們之間有較好的對(duì)應(yīng).除了68年和8.5年的黑子周期沒(méi)發(fā)現(xiàn)有較好的行星周期對(duì)應(yīng)外,其他都對(duì)應(yīng)很好,其結(jié)果列于表1中,表中黑子周期欄中的±號(hào)后給出的是頻譜分析的精度范圍.

表1 太陽(yáng)黑子周期與行星周期比較Tab1 Com paritive o f Sunspo ts perild s and p lanetany period s

總之,通過(guò)本文的分析,我們相信行星的引力作用對(duì)太陽(yáng)黑子的產(chǎn)生確有觸發(fā)效應(yīng),但是其作用方式可能不是唯一的,一種方式是引潮力直接作用在太陽(yáng)表面,另一種是行星作用下太陽(yáng)質(zhì)心產(chǎn)生復(fù)雜的周期性運(yùn)動(dòng).但這都是外因,內(nèi)因是太陽(yáng)對(duì)流層的磁活動(dòng).

[1]Choudhuri,A.R.Som e recent developm ents in so lar dynamo theory[J].ApA 27,2006:79-85

[2]聶清香,張海霞,左慶林,郝娟.太陽(yáng)活動(dòng)11周期的形成原因新探[J].自然雜志,2007,29(4):225-228

[3]de Jager Cornelis,V.&Gerard,J.M.Do Planetary Motions Drive Solar Variability?[J],SoPh 229,2005:175-179

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P136

A

1004-7077(2010)02-0016-03

2009-11-18

李愛(ài)云(1982-),山東滕州人,棗莊學(xué)院物理與電子工程系助教,碩士,主要從事量子光學(xué)的相關(guān)研究。

[責(zé)任編輯:陳慶朋]