1、现代天文学 （诺贝尔奖天文学奖项回顾） 讲授提纲,三、太阳和阿尔文的磁流体力学 1，太阳的基本情况 2，太阳活动现象和对地球的影响 3，阿尔文的贡献 （1）宇宙中普遍存在磁场 （2）宇宙中普遍存在等离子体 （3）提出磁冻结现象 （4）阿尔文波的存在 （5）阿尔文获诺贝尔奖,1，太阳的基本情况,太阳的情况 太阳是距离我们最近的恒星 中等质量的壮年恒星 日地距离149597870千米 半径比地球大109倍 体积是地球的130万倍 质量为1.991030千克 是地球的33万倍 太阳是气体球 平均密度为1.409克/厘米3,地球接收到的太阳辐射来自光球 太阳常数在地球大气外每平方米面积接收到的太阳辐射
2、总能量： 1368焦 太阳每秒辐射的能量：3.8451026焦 光球温度：5777K，底层高一些，顶层低一些。 光球的临边昏暗现象,关于光球,太阳的产能区、辐射层和对流层,光球辐射的能量来自太阳内部：内核 内核的氢弹爆炸：原子核反应 从内核来的高能光子经过漫长的路途和曲折的的转换过程传递到太阳表层，由高能变为低能，由非可见光到可见光 转换过程：辐射和对流 内核辐射层对流层,日食让我们认识太阳的外层大气,光球太亮，平时看不见色球和日冕的辐射 在日珥（色球物质组成）中发现氦（太阳元素） 光球顶部密度： 8108克/厘米3 色球密度：1014克/厘米3 日冕密度更低,太阳的结构内核：热核反应，产能区
3、辐射层对流层光球：光亮的球层， 温度6000K色球：温度比光球高, 656.28纳米 红光很强日冕：温度 百万度 射电辐射来自日冕,太阳结构模型,光球 眼睛直接看到的太阳 色球 色球发出的氢原子的656.28纳米（红色）而光球没有所以可用这一波长观测色球日食时也可观测。 日冕 太阳大气最外层，在日食时可以看见。,太阳化学组成 太阳有68种元素 氢 78.4% 氦 19.8 氧 0.8% 碳 0.3% 氮、氖、镍各占0.2% 其余元素均在0.1%以下,“ 太阳元素”的发现 1868年8月18日，法国天文学家詹逊观测日全食时，发现日珥的一条橙黄色明线（D3），不能和已知的地球上任何元素的谱线不相对
4、应。 命名为氦，曾称“ 太阳元素”。 27年后，一位名叫雷姆塞的英国化学家终于在地球上也找到了氦。,太阳的较差自转太阳赤道转得快： 约26天转一圈极区转得慢：约35天转一圈,太阳赤道转得快： 约26天转一圈极区转得慢：约35天转一圈,2，太阳活动现象和对地球的影响,太阳磁场 太阳各层大气里的磁场很不相同 日面各部分磁场相差很大 几高斯几千高斯 太阳黑子磁场是最强的磁场 太阳活动都与磁场有关 磁场是活动区最本质的特征,太阳黑子相对数变化的11年周期,黑子出现蝴蝶图,每个活动周开始黑子出现在高纬区然后逐渐走向低纬区,黑子“ 蝴蝶”图 在11年活动周期中，黑子分布呈现蝴蝶状从高纬到低纬的变化。每只蝴
5、蝶对应一个活动周。 黑子出现在南北纬度350之间。,黑子磁极性变化有22年周期 日面上的偶极黑子群中，前导黑子总是 与后随黑子的极性相反。 在同一个活动周中，南半球的前导和后 随黑子的极性情况是一样的。 南半球和北半球的情况相反。 每一个太阳活动周期中，黑子群的磁极 性分布保持不变，但下一个周期的情况 则截然相反。,偶极黑子群中黑子磁场极性随 太阳周期的变化,日珥 色球层的活动现象，美丽壮观。 日珥比光球暗得多，也只有在日全食时或者使用色球望远镜才能看到。 日珥一般高约几万公里，大大超过了色球层的厚度，进入日冕层。 爆发日珥以每秒700多公里的速度喷发到日冕中去。,耀斑 耀斑是太阳上最强烈活动
6、现象。来势猛，能量大。在短短一、二十分钟内释放出的能量相当于地球上十万至百万次强火山爆发的能量总和。 耀斑产生在日冕的低层。耀斑和黑子有着密切的关系。,太阳对地球的影响1，地球能源的提供者；2，耀斑对地球有巨大影响，耀斑产生 强大的由高能粒子组成的太阳风，吹 到地球附近，对地球产生影响： 对地球上的电讯有强烈的干扰； 对航天器和宇航员有致命的威胁； 在地球大气高层产生极光，引起地球 磁暴。,美丽的极光 来自太阳的带电粒子闯入地球高层 大气，和大气中的分子或原子碰撞 而产生的放电过程，是唯一能用肉眼 看到的高层大气中发生的物理现象 由于地球磁场的作用，太阳高能粒子 到达地球时就向地球磁极靠拢，因
7、此 在地球上高磁纬地区能看到极光。,极光的形态变化万千，颜色绚丽多彩。极光的每一次出现，都好似大自然恩赐给人类的一幅美丽画卷。凡是有幸亲眼目睹过极光的人都会在他们的脑海里留下终身难忘的印象。,地球上看极光 在磁纬6070的区域内，围绕地球南北磁极的两个圆环状地带。地球的北磁极在加拿大大境内。 地球的磁南北极与地理南北极之间大约相距11。高纬度地区出现极光现象较多。磁纬越低的地区，只是偶而能见到极光。,极光椭圆 极光发生在围绕磁极的一个近似椭圆形的环状区域。人们称之为极光椭圆。 在地球磁场的作用下，从太阳来的高能粒子不能沿磁极区的磁力线作螺式下降。太阳风从太阳携带来的磁场和地球磁场相互作用，放电
8、过程是在以磁极为中心的圆形区域的边界进行的。,4，阿尔文的贡献和 获诺贝尔奖 （1）宇宙中普遍存在磁场 （2）宇宙中普遍存在等离子体 （3）提出磁冻结现象 （4）阿尔文波的存在 （5）获诺贝尔奖,阿尔文 阿尔文1908年5月30日生于瑞典。当他还是博士研究生的时候，他就创立了一个关于宇宙辐射起源的理论。 阿尔文善于提出新概念、新思想，从天文现象中发现新的物理规律，并用理论解释复杂的天文现象。 他是太阳和宇宙磁流体力学新学科的奠基人。,（1）阿尔文于1937年（29岁）首先提出： “ 银河系的星际空间 到处都存在磁场” 在那时，人们并未观测到，也不 认为银河系到处都有磁场。这一假设一直受到冷落。
9、,到40年代才发现银河系存在磁 场的迹象。 到六十年代测出银河系磁场的 分布之后才最后证实阿尔文的假 设。,磁场在宇宙中普遍存在 地球磁场强度约0.5高斯。 太阳平均磁场约为2高斯，太阳黑子 区域的磁场约几百至几千高斯。 磁星可达几千至几万高斯 白矮星磁场达到105107高斯。 中子星磁场达到 1081014高斯。 银河系星际空间的磁场微高斯。,（2）阿尔文首先提出宇宙中 普遍存在等离子体 核外电子变为自由电子的过程称为电离。电离后的物质变为正离子和电子以及未经电离的中性粒子所组成。 这种状态就是物质的第四态等离子体。,等离子体的形成 物体在高温条件下或受X射线、 射线的照射后，原子核外的电子
10、因获得足够的能量摆脱原子核的束缚成为自由电子，即发生了电离。电离后的物质变为正离子和自由电子，形成等离子体。总体上还是电中性的。,生活中见到的日光灯或霓虹灯，就是用人工方法在真空玻璃管中制造的低温等离子体。 太阳是高温等离子体球。,等离子体特性 部分电离或完全电离的气体，在某些方面跟中性气体有相似之处，如描述气体的宏观物理量密度、温度、压力等对电离气体同样适用。 但是，它的主要性质却发生了本质的变化，即电离气体的行为主要受电磁力的支配。,恒星 恒星表面的温度在5000至10000K之间，在这个温度范围内物质只能部分电离。但是到了恒星的内部，越向里去，温度越高，电离程度越来越高，在恒星核心区的物
11、质则是100地被电离。,星际气体 星际气体的温度比较低，但其体周围的恒星辐射或高速星风作用也会使其电离而成为等离子体。 宇宙中几乎99的物质都是等离子体。实际上，在天文学的研究中，几乎完全依靠等离子体的辐射来获取知识。,（3） 阿尔文发现磁冻结现象 宇宙中既有等离子体又有磁场。阿尔文发现等离子体在磁场中运动的一个新现象，那就是磁冻结。 等离子体在磁场中运动必然带着磁力线一起运动，相当于磁力线冻结在物质里面了，或者说等离子体粘连在磁力线上了。,磁场冻结的条件 磁场扩散非常慢 在天体物理的研究对象中，如太阳黑子、太阳及银河系等几何尺度非常大，总满足磁场扩散非常慢的条件，因此天体物理研究中的等离子体
12、基本上是和磁场冻结在一起的。 等离子体要运动必然带着磁力线一起运动。,等离子体在磁场中的运动 等离子体是流体要遵从流体力学的规律。 等离子体在磁场中运动又要遵从电动力学的规律。 仅用流体力学或电动力学都不能正确解释它们在磁场中的运动的特征。,等离子体在磁场中作螺旋轨道运动 等离子体在磁场中的运动受到罗伦兹力的作用。当带电粒运动方向与磁力线垂直，罗伦兹力只改变粒子的运动方向，使它们作匀速圆周运动。正离子的质量比电子的大得多，因此其回旋半径大，距磁力线要远。 当带电粒子的运动方向与磁力线不垂直时，带电粒子则按螺旋状轨道运动。,正离子的质量比电子的大得多，因此其回旋半径大，距磁力线要远。,（4） 阿
13、尔文波磁流体力学波 1942年阿尔文发现了磁流体力学波。 在等离子体和磁场冻结在一起的情况下，磁力线存在着张力。弹拨乐器的弦线，在外力的作用下，就发生振动，产生沿弦线方向的横波传播。粘附着等离子体的磁力线也像一根弦线一样，当在垂直磁力线方向上受到扰动后，也会产生一种横波。,阿尔文波速度公式 阿尔文波的速度仅是磁场强度（B）和密度（）的函数。磁场越强，密度越小，速度越大。,无人相信阿尔文波 流体力学理论认为一般的理想流体中是没有横波的。阿尔文提出后，学术界无人相信。 实验证实 阿尔文用水银作实验，磁场是1000高斯，结果得到了速度约为75厘米/秒的阿尔文波。确认阿尔文波存在，并与理论估计的一致。,瑞典天文学家阿尔文因为对宇宙磁流体动力学的建立和发展作出的卓越贡献而荣获1970年度诺贝尔物理学奖，这是对他近40年科学生涯最公正的评价。,阿尔文出版专著1948年阿尔文出版宇宙动力学，1963年又出版宇宙电动力学专著。总结了磁流体力学的基本原理和在天体物理学中的应用。,第三章要求1，太阳结构的概要情况。2，太阳黑子的活动规律。3，对阿尔文的贡献有概要的了解。 没有作业,
