第14章 太陽自轉

1610年伽利略研究太陽黑子時發現，認為黑子的一些規則運動是太陽自轉的結果。太陽存在自轉，可以從黑子以及日麵上的其他活動客體，如日珥、暗條和譜斑等在日麵上的移動，或從太陽東西邊緣光譜線的多普勒效應來證實。太陽自轉方向與地球自轉方向相同。在日麵緯度不同處，自轉角速度不同，在太陽赤道，自轉最快，緯度越高，自轉越慢，這說明太陽存在著較差自轉的現象。 太陽係介紹 太陽係是以太陽為中心，和所有受到太陽的重力約束天體的集合體：8顆行星、至少165顆已知的衛星、5顆已經辨認出來的矮行星（冥王星、穀神星、鬩神星、妊神星和鳥神星）和數以億計的太陽係小天體。這些小天體包括小行星、柯伊伯帶的天體、彗星和星際塵埃。 廣義上，太陽係的領域包括太陽，4顆像地球的內行星，由許多小岩石組成的小行星帶，4顆充滿氣體的巨大外行星，充滿冰凍小岩石，被稱為柯伊伯帶的第二個小天體區。在柯伊伯帶之外還有黃道離散盤麵和太陽圈，和依然屬於假設的奧爾特雲。 依照至太陽的距離，行星依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、和海王星，8顆中的6顆有天然的衛星環繞著。 自轉公式 太陽自轉角速度Ω和日麵緯度φ的關係可以寫成下式：Ωu003da b sin2(φ) c sin4(φ)a、b、c是用最小二乘法根據日麵的活動客體的觀測數據整理得到的，隨所觀測的活動客體的不同而不同。以恒星為參考背景,日麵緯度17°處的太陽自轉周期是25.38日，稱為太陽自轉的恒星周期。相對於地球而言的自轉周期是27.275日，稱為太陽自轉的會合周期。地麵的觀測者為了觀測的方便常使用後一數字。 由於1969年來觀測技術的發展，我們能夠更精確地了解太陽自轉的情況。1970年，霍華德和哈維發現，太陽表麵有一個全球尺度的非軸對稱的速度場，而日麵較差自轉隻是上述速度場的緯向速度分量的反映。這一速度場的存在表明在赤道與極之間有角動量轉移。 太陽自轉規律 很早就有人注意到太陽自轉速率常有變化。1904年，哈姆就發現，1901～1902年與1903年觀測到的太陽自轉速率是不一樣的；1916年，普拉斯基特觀測到在幾天之內太陽自轉速率的變化達到每秒0.15公裏；1970年霍華德和哈維的精確的觀測更表明太陽自轉速率天天都有變化。但是,太陽自轉速率隨時間變化的規律還不清楚,既不是越轉越快，也不是越轉越慢，而是在某一個上下限之間擺動。 不少人還觀測、研究了色球、日冕和太陽磁場扇形結構的較差自轉。色球和日冕的自轉速率同光球相似。有些觀測表明，在某些日麵緯度上日冕自轉速度比光球自轉速度慢，並且隨太陽周期的位相而變化。至於太陽磁場扇形結構的邊界，並沒有象根據較差自轉理論所預料的那樣變化，而是呈現出一種剛性旋轉。 太陽內部的自轉無法直接觀測，隻能間接推測，例如，根據主序星的平均自轉速度的統計規律，根據角速度同恒星年齡和電離鈣發射線的關係，或者根據太陽的鋰－鈹豐度進行推測。有的學者認為太陽內部自轉速度比表麵快，有的學者認為比表麵慢，看法還不一致。 太陽較差自轉的理論研究工作是六十年代才開始的，因為對於太陽對流層中的大尺度環流的了解有了較大的進展，所以在湍流理論的基礎上提出了太陽較差自轉的理論，其基本思想是：米粒組織和超米粒組織這些小尺度對流可看作是一種粘滯作用，由於非軸對稱的全球尺度的對流和自轉的相互作用，角動量向赤道轉移，從而形成了太陽的較差自轉。