|
伍岳明 曹明富合著 谨以此书献给2005——世界物理年！ 什么是太阳振荡?1960年，美国天文学家莱顿用强力分光仪，测定太阳沸腾表面的运动状况。结果发现太阳竟像人的心脏那样来回跳动着，太阳大气一涨一缩地起伏脉动，一些地方的气体急剧起伏振荡几次之后，好像跑了很急之后的喘气那样缓和一段时间，接着又开始一轮新的振荡。平均一次振荡的周期大约是 300秒，因此人们把这种运动叫做五分钟振荡。 进一步的观测研究表明，在一次振荡中，气体上下起伏的范围可以达到几十公里，这对于直径达 139万多公里的太阳来说，自然算不了什么。使人惊讶的是，发生振荡的不是太阳面上的一小片区域，而是在成千上万甚至好几十万平方公里的范围内，气体物质联成一片，好像在同一声口令下同起同落。并且在任何一个时刻，太阳面上都有约 2/3左右的地方在作这种有规律的振荡，如此大面积的振荡真可以说是蔚为壮观，惊心动魄，地震根本无法与之相比。 太阳五分钟振荡的发现从根本上改变了人们过去对太阳运动状态的认识，世界各国的天文学家对这个问题都十分重视，许多天文学家纷纷采用各种不同的方法对太阳的振动进行观测。他们不仅证实了太阳表面周期五分钟的振动，而且接二连三地又发现了好几种周期的振动。有人得到 52分钟的太阳振动，有人得到周期约为7～8分钟的太阳振动。最引人注意的是前苏联天文学家谢维内尔和法国天文学家布鲁克斯等得到的周期 160分钟的长周期振荡。 太阳160分钟振动被观测到以后，许多天文学家对它表示怀疑，有人认为这种振动可能是一种仪器效应或者是地球大气周期性变化的反映。那么太阳中期振动究竟是太阳本身引起的，还是由其他一些原因造成的 ?天文学家在激烈争论的同时，进行着辛勤的观测。法国和美国的一个联合观测小组，成功地在南极进行了长达 128小时的连续观测之后，最终把怀疑排除了。因为南极夏季每天24小时都能看到太阳，连续观测不存在大气周日活动的影响问题。以 160分钟为周期的太阳整体振荡得到确认，它确实来自太阳。
图7.21 速度涨落的功率谱测量 图7.21为太阳物理学家在太阳光球圆面上观测太阳沸腾表面径向速度涨落绘出的整个振荡的功率谱图。 5分钟振荡处是一个峰值，振荡可达2米/秒。在低频端的一个峰值，频率为 160.01分，振幅可达1米/秒。 关于太阳的整体振荡，我们自然会问，它是怎么产生的 ?地震波是由于地球表层中的地震激发的，它总是在地震以后才测量到。可是太阳的整体振荡是相对持续的现象，对于 5分钟振荡，人们曾进行过仔细的分析，发现这种模式是过稳定性的。所谓过稳定性就是一个平衡状态受到扰动以后将有一个恢复力，这个恢复力不但使它回到原来的平衡状态，而且超过原来的状态。比如一个秋千开始不动地铅直向下，这是平衡位置。如果它偏离平衡位置，在重力作用下总是把它拉向平衡位置，因此就来回地摆起来。当秋千上的人不用力蹬时，秋千的幅度越来越小，最后回复到平衡位置，这种摆动是稳定的。如果除了重力以外，人力也不断地蹬，使秋千的幅度不断增大，这种情况就是过稳定性的，太阳的过稳定性的物理机制是什么呢 ?笔者认为可能是太阳等离子体“共旋起电”产生的强大电场所引发。 前已讲过：太阳的“共旋起电”使太阳的正负离子等量的分布在太阳球面的不同卦限，呈现出不同的电荷性质。虽然“共旋起电”产生的电场很强 ,但等离子体的屏蔽电场的作用，使太阳球面上的离子层卦面下及四周生成一层电子屏蔽层。同理，太阳球面上的电子层卦面下及四周生成一层离子屏蔽层，达到静电力平衡，使整个太阳系统恢复电中性。 因为静电力起到一种恢复力的作用，又带电粒子本身有质量，有质量的物体在恢复力的作用下，必然会发生振荡，这就是等离子体振荡。其振荡的固有频率称为等离子体频率。 由于离子的质量远大于电子的质量。所以可以近似认为离子不动，是电子相对于离子往返运动，在电场作用下不断加速，由于惯性的原因，电子和离子的运动会越过平衡位置，又造成相反方向的力的不平衡，从而使等离子体再次向平衡位置运动。这个过程不断重复就形成了等离子体内部的集体振荡。以弹簧振子为例，恢复力
因太阳共旋起电而获得 ∵ 即振荡周期： 因太阳面上的电荷量的正负离子等量的分布在太阳球面的不同卦限，等量分布的正负离子周围均有屏蔽层 ,因而参与朗谬尔振荡的电子是n的二倍.所以 (7。22)式为:
因阳面有很强的电场使离子层很薄，但密度很高，将教科书中的太阳中心电子数密度当作太阳面上离子层的离子数密度，即
因为离子质量比电子质量大得多，太阳球面的离子振荡频率应比电子振荡频率小得多。若按照
上述计算得到太阳面上正负离子的朗谬尔振荡周期
:电子为:4.3分钟;离子为
184分钟;与实测太阳上的5分钟振荡及
160分钟振荡都在同一数量级，但有差距。究其原因，一是参与振荡的电子数没有那么多,若参与振荡的电子数为
:
|
伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com） 上传2007.09
浏览
，位移
，其中
A为振幅，ω为振动频率，其值为：
；式中m为质量，
K为弹簧倔强系数。不难看出：振动频率与振子质量m的平方根成反比。设太阳球面上离子层厚度为
，又因离子层会使电荷局部分离引起电场
：
；式中
n为离子数密度，其值为：
；
为元电荷；
为真空介电常数；
；负号表示作用力方向与位移
;
(7。
21)
(库仑
)的电量；从而使阳面上产生很强的电场，不难看出，等离子在恢复力
的作用下，也将出现等离子振荡，也叫做朗谬尔振荡。在电场作用下，将有质量为：
的电子将出现朗谬尔振荡；
；
(7。22)
(7。23)
;及
;
、
; 代入式(7。
23)则得：
s；
，即以质子质量计算：
=
s，
;则太阳上的电子朗谬尔振荡周期为
298秒,接近5分钟。二是在计算过程中，近似认为离子不动，是电子相对于离子往返运动进行的，实际上离子和电子都在运动，相对于地球上的人们来说好象是太阳上存在着
5分钟和160分钟的振荡；三是离子质量比电子质量大得多，相同体积的离子密度要比电子密度小，故离子的振荡周期要比理论计算的要短，只有
160分钟整体振荡。因此我们认为这二种振荡分别为太阳光球层的电子与离子的朗谬尔振荡，即等离子体振荡所引起。太阳的整体振荡像人的心脏那样来回跳动着，好比铁匠打铁时来回拉动的风箱，使太阳表面定时射出针形流束，像用风箱鼓风火炉的火苗，随风箱节奏，在太阳磁场的影响下，作不垂直日面的向上喷射。这就是我们称之谓太阳色球针状体，它的寿命与太阳上的
5分钟振荡一致。