太阳表面的观测

第二节　太阳表面的观测

一、太阳黑子的观测

太阳黑子是光球层上具有强磁场的气体旋涡，其温度低于光球，是太阳活动最明显的标志之一。黑子的亮度约是光球亮度的2/3，其大小不一，小的直径约1000千米，大的直径可达20万千米，有十几个地球大。黑子的形状像一个暗的浅碟，中间凹陷。发展完全的黑子分本影和半影两部分，中间的暗核部分叫做本影，本影周围较淡的边框叫做半影。本影是黑子的核心，温度约为4240K；半影部分温度约为5680K。黑子在日面上的分布不均匀，几乎所有黑子都分布在日面南北纬45°的范围内，但在赤道两旁8°范围内很少出现。以黑子群的平均日面纬度为纵坐标、以时间为横坐标绘出黑子群在日面上的纬度分布图，形状像一群蝴蝶，叫蝴蝶图。

千万注意，不能直接用肉眼观看太阳，因为太阳的强光会把眼睛刺痛。可以用涂了浓墨的玻璃遮住眼睛去看太阳，而且不能看太长时间。肉眼所能看到的太阳是非常小的，太阳表面的情况及变化必须用天文望远镜观测。

太阳就好像生物一样，每时每刻都在活动着。太阳表面的黑子数量和太阳的活动有密切关系，太阳活动越频繁，黑子数目就越多。因此，根据长时间连续观测的黑子的变化情况，就可以研究太阳温度的变化。

银河系大约有2000亿颗恒星，一般人所能观测到的只有太阳的活动情况。由于太阳是影响地域和人类的最重要的恒星，因而观测太阳活动的意义是非常大的。当然，观测太阳活动应该在设备和有关基础知识方面作好充分的准备。

1.观测太阳黑子所必需的物品

用口径5～10厘米的小型天文望远镜，就可以对太阳的黑子进行充分的观测了。观测太阳黑子常用有专用镜片的反射式望远镜，最好配备投影板。当然，也可使用普通物镜的折射式望远镜。由于需要跟踪太阳，赤道仪式架台会远比经纬式架台更方便。为了便于对太阳进行观测，须准备如下一些小附件。

（1）太阳投影板：对折射式天文望远镜来说，作为附件的投影板，通常在出厂时就配备好了。这种装置安装简单方便，安装好后不会晃动就行了。另外，投影板前后位置可以调整，很方便。

（2）目镜：作为观测太阳用的目镜，可以任意选用耐热类型的高增益式。应准备一个能看到太阳全貌的50～60倍的目镜和一个能看到黑子深部的高倍率目镜。

（3）太阳滤光镜：直视观测太阳时应该用专用滤光镜，因为滤光镜有隔热减光的特性，望远镜口径在10厘米以上时，物镜前面应盖上一个中间开有直径5厘米以下孔的盖子，或用三面反射棱镜，使通光量适当减少。观测太阳千万要注意眼睛的安全。

（4）观测用图纸：在洁白的纸上画好直径15厘米（或者10厘米）的圆并写好数据，事先制成观测用的图纸。

其他如铅笔、橡皮擦、秒表等都应事先准备好。

2.常用的各种观测方法

观测太阳黑子的方法通常有直视法、投影法、照相摄影法。但是一般是用投影法或投影法和直视法并用来观测。总之，无论哪种方法都应进行长时间连续观测。

（1）投影法：所谓投影观测法，就是在天文望远镜上装上太阳投影板，把太阳像放大投影到投影板上去观测太阳的方法。也就是说把观测用的专用纸用夹子固定在投影板上，再用铅笔把太阳黑子描绘在观测纸上，制成观测图。用这种方法无论是谁都可以正确地把黑子的位置和形状画下来，即使是长时间连续观测也不会把眼睛刺痛。这就是这种方法的优点。

（2）直视法：在目镜上安一个专用太阳滤光镜片，直接对太阳进行观测的方法。这种方法可以在计算黑子数量的同时又用高倍率镜头画出更详细的黑子图。但是，仅仅是用直视法要把位置形状都准确记录下来，还是较困难的。必须用事先准备好的投影法把正确的位置和特殊的大形状记录下来。

用直视法进行观测时，要特别当心眼睛的安全。一定要在物镜上盖上一个中间开有直径5厘米以下孔的盖子。并注意控制观测时间。

（3）摄影法：就是把照相机装在天文望远镜上进行摄影的方法。这种方法有一个很大的优点就是可以得到客观的记录，并且具有利用各种滤光器和分光器使观测内容更广泛的魅力。但是，为了进行摄影，除照相机以外，还要有把照相机固定到天文望远镜上的配件和滤光用的滤色片等合适的器材。另外，每日进行摄影会消费大量的胶片以及冲洗费用，应量力而行。其次，由于大气层的影响，太阳像会晃动且太阳外面的透明度经常是变化的。要得到漂亮的观测结果，并非易事。当然，对熟悉摄影的人，还是应考虑应用这种观测方法。

3.观测太阳的时间与地点的选择

观测太阳，当然是应该在有太阳的时候，且能看到太阳的地方。不过，还是应该进一步考虑选择适合于各种观测方法的条件。

最好避开高的建筑物或高大的烟囱，因这些地方会使太阳像变得模糊。另外，不要看离地平线很近的太阳。这时太阳光被厚厚的大气层遮盖着，透明度差，又受到气流移动的影响。因此，应选择在太阳升高些的时候进行观测。一般来说，中午以前的条件会好一些。

在实际观测的时候，还应该把每个上午观测时的不利情况，不能观测的天气，不能观测的课余时间等有顺序地整理记录下来，这种连续记录也是很有意义的材料。

4.投影观测太阳黑子的过程

这里以最常用的投影法为例，介绍太阳黑子的观测过程如下。

（1）安置天文望远镜

安装赤道仪式天文望远镜时，要把极轴尽可能地对准天空的北极星。投影板的中心放到望远镜的光轴上，并且把观测纸用夹子固定到投影板上。在观测中，若离开望远镜或无人观测时，一定要把望远镜的镜头盖盖上。

（2）把望远镜对准太阳

观察主望远镜镜筒的影子，寻找这影子最圆的方向。用这种方法就可以熟练地、尽快地对准太阳。捕捉太阳像时千万不要使用寻星镜。

（3）调整好太阳像的大小

对太阳进行聚焦之后，将投影板前后移动，使太阳成像于观测专用纸上事先画好的直径10～15厘米的圆上。

（4）快而准确地制作黑子图片

首先，在黑子的投影位置上用铅笔打点子，然后，再把黑子的大小、形状、子的集合体，统统快速地描绘下来。许多黑子集中在一起的叫做黑子群。黑子群往往是成对出现，并多为东西方向排列。

（5）跟踪太阳像

把望远镜安置好，可以看到，太阳像在不断地移动着，移动方向向西。在所看到的黑子中挑选一个清晰的记录，跟踪它的移动，把它每隔几分钟的位置连起来，可以得到一条正好是东西方向的连线，这条连线叫东西线。

（6）统计黑子个数

记录黑子以外的现象：画好黑子的投影像后，要认真点数黑子及黑子群的数量，并且每次点数的办法应一致。另外，太阳表面除黑子外，主要还有光斑、粒状斑等现象，也应予以记录。光斑：光斑是指在太阳色球层之中的爆发现象。因这种现象发生几分钟到几十分钟就消失了，所以这种现象是不太常被发现的。如果运气好的话，那就随着它的变化状态和时间记录下来吧。粒状斑：透明度好的时候，就可以看到这样一种粒状光斑，它就像很碎的光斑，也像把圆形砂粒撒泼到光球面一样。粒状光斑可作为决定透明度的参考，每天看到或没看到粒状光斑都要记录下来。

（7）不要忘记其他的观测数据和资料

记录黑子位置的时间，观测结束的时间；气候（气象）情况；透明度情况（5为最好、4为良好、3为中等、2为差、1为最差）；发现的其他新情况。这些都是十分重要的数据。如果观测时间有多余时，把复杂的黑子群用高倍率目镜进行直视法观测，把观测图放大到观测用纸的范围以外，进行更精确的测量。

5.整理观测结果（附表）

长期积累黑子的观测资料表明，太阳黑子活动的强度是变化的，存在着平均11年的周期。天文学界从1755年开始对太阳活动周期进行编号，以极小年份作为一个周期的开始年。1996年是太阳黑子活动极小年，也是太阳活动第23周的开始年，因此2000年、2001年是第23周的太阳活动峰年，是观测太阳黑子活动的有利时机。观测结束时，应及时地整理观测结果，尽可能当场进行整理，并养成习惯。整理观测结果应做好以下工作。

（1）太阳黑子描图

将准备好的太阳黑子观测记录纸放在投影板上，将投影板安放在望远镜目镜的后面，调节目镜与物镜的距离，使太阳的像清晰地呈现在投影板上，其大小与观测记录纸上的像圈相吻合。

太阳和一切天体一样有周日视运动，为使太阳的像始终落在绘图纸的圆圈里，要开动望远镜的转仪钟。此外，还要保证记录纸上的WE线与地球的东西方向一致。这可以在关掉转仪钟的情况下，查看太阳黑子周日视运动的方向，看看黑子是否准确地由E（东）向W（西）移动，如果有偏移就要转动记录纸的方位，直到符合为止。

观测时打开转仪钟，使望远镜跟踪太阳的周日视运动，然后描画黑子。其方法是：按照投影板上黑子的投影像，先用硬铅笔描画黑子的半影轮廓，再用软铅笔描画黑子的本影轮廓；先描画西边的黑子，后描画东边的黑子；先描画大黑子群，后描画小黑子群。

在描图纸上要记录以下内容：观测时间（日期、北京区时和世界时）；天气状况（晴、少云或多云）；观测者姓名；大气能见度（可以划分为5级，最好的为一级）。通过查太阳年历求出观测时刻的日面中心黄经L，方法是：用观测当天世界时为0时的日面中心的黄经L₀与次日的L₀，按照观测时刻内插而求得。比如，于1998年11月3日北京区时9时56分描图，是世界时1时56分；查天文年历知1998年11月3日世界0时日面中心的黄经L₀=203.12°，1998年11 月4日世界时0时日面中心的黄经L₀=189.94°，所以观测时刻世界时1时56分时日面中心的黄经L=202.02°。观测时刻日面中心的黄纬B₀可由太阳年历得到。

（2）太阳黑子相对数的计算

太阳黑子相对数R可按下式计算：

R=K（10g+f）

式中：g为观测到的黑子有几群，f为同周期黑子总的个数，K为台站的转换系数。黑子的个数一般按本影统计，例如在一片半影当中有5个本影黑点，黑子的个数就算5个；单独一个本影点子也算一个黑子。关于K的取值，如果只作短期观测，可以不考虑国际系统，取K＝1。如果作长期观测，就要算出自己的K值，使自己计算的黑子相对数比较接近国际统一的值。

为了计算方便，可对黑子群编号，一般从每年元旦起编号直到年底。元旦这一天看到的黑子群中，最西边的一群编为第1号，然后向东依次为第2号、第3号……对于每一黑子群，从出现到消失只用1个号码；如一黑子群分裂成两群，编号可以不增加，若两群合成一群，编号可以去掉一个。

（3）对黑子群进行分类

太阳黑子大多成群出现，每个黑子群由几个至几十个黑子组成，最多可达100多个。一般有两个主要黑子，即在西面的叫前导黑子，在东面的叫后随黑子。前导黑子大都出现较早，消失较迟，面积较大。按照磁场极性，黑子群有单极群、双极群和复杂极性群之分，其中双极群比较常见。

黑子群有好几种分类方法，目前最通用的是苏黎世天文台的分类法，它按照黑子群演变的发展阶段分为A、B、C、D、E、F、G、H、J共9种类型；演变到最强是E类和F类，演变到最末的是J类。

A类：没有半影的黑子或者单极小黑子群。

B类：没有半影的双极黑子群。

C类：同B类相似，但其中一个主要黑子有半影。

D类：双极群，两个主要黑子都有半影，其中一个黑子是简单结构；东西方向延伸小于10°。

E类：大的双极群，结构复杂，两个主要黑子都有半影，在两个主要黑子之间有些小黑子；东西方向延伸不小于10°。

F类：很大的双极群或者很复杂的黑子群；东西方向延伸不小于15°。

G类：大的双极群，只有几个较大的黑子；东西延伸不小于10°。

H类：有半影的单极黑子或者黑子群，有时也具有复杂的结构；直径大于2.5°。

J类：有半影的单极黑子或者黑子群；直径小于2.5°。

由于太阳是个球体，黑子群在日面边缘时形状会发生很大的变化，东西长度会大大缩短。因此对于刚从东面转出来的黑子群，看不到全貌，不要轻易确定它的类型，等过两三日看到全貌再确定类型比较妥当。

确定类型还要注意连续性。如果前后好几天都是E类，只有中间一天是C类，那么这一天也应记E类。当然，黑子群的类型有小的反复也是可能的，如从C类变到D类再回到C类等。

（4）太阳黑子面积和位置的归算

①太阳黑子面积的归算：黑子面积的大小也反映了太阳黑子活动的强弱。首先计算日面投影像上黑子的圆面积：将一张方格面积是1平方毫米的专用透明方格纸放在描画好的太阳黑子观测记录纸上，即可量出投影日像上黑子的面积A（叫做圆面积）。设R为观测记录纸上日像的半径（以毫米为单位），那么有以下比例关系：

S_d∶10⁶=A∶πR²

式中：S_d是以日轮可见面积的百万分之一作单位的日像平面上黑子的面积，称投影面积。由上式有

S_d=A·（10⁶/πR²）=C·A

式中：C=10⁶/πR²叫做化算值；例如R=87毫米，那么C=42.054。

然后，把黑子的投影面积S_d再变换成球面积S_p，它以半个日球面积的百万分之一作单位。此时，归算值为：

C′=10⁶×（2πR²）^-1secβ

式中：β为日心角，由下式确定：

β=arcsin（r/R）

式中：r为黑子中心到日像圆心的距离，R是日像的圆半径。

在观测记录纸上量得黑子的圆面积A，再测量r和R，即可求出黑子的球面积S_p：

S_p=C′A

②太阳黑子坐标的归算：太阳是一个气体星球，很难像地球一样定出固定的经纬度。与太阳自转轴相垂直的大圆面在日面上可画出太阳赤道，日面纬度由赤道向两极计量，由0°～±90°，向北为正，向南为负。为了划分日面经度，天文学上选取公元1854年1月1日格林尼治平午时，通过太阳赤道与黄道的升交点的子午圈作为本初子午圈，向西计量，由0°～360°。

为了确定太阳黑子的日面坐标，需要知道观测时的日轴方位角P（太阳自转轴与日面投影图南北线之间的夹角，其变化范围为0°～±26°18′，正号表示日轴的北极向东偏离，负号表示日轴的北极向西偏离）和太阳视面中心的黄纬B₀。在一年之中有±7.25°的变化，但在处理黑子资料时其每天的变化可不予考虑。P和B₀均可查天文年历得到。

为了计算方便，预先按不同的B₀值（每隔0.5°或1°取一个值）制成了不同的透明胶片或玻璃板网格，计算时可据观测日的B₀值选取相应的透明片，如B₀=4°19′，则可选用B₀=4°的透明网格片。

具体的操作方法是：先按查出的P值在描迹图上画出日轴线，然后将透明网格片覆盖在太阳黑子的描图纸上，使网格片中央经线与日轴线对齐，即可量出黑子重心的纬度和中经距（黑子群中心与中央经线的距离，在中央经线以东为负，以西为正）。

附表：天文小组太阳观测记录表

二、太阳色球的观测

太阳色球层厚约2000千米，温度比光球高但密度比光球小，因此它发射的可见光很弱，大都被光球的光所淹没。所以，只有在日食光球被遮盖时或利用色球望远镜，才能对色球进行观测。在普通望远镜的物镜后面附加一个单色光干涉滤光器（它只能透过某波段的光），也可观测色球。在滤光器的后面安装照相机，则可实现对色球的照相观测。

观测太阳色球活动能看到有趣的现象。在色球的边缘可以看到许多窜向太阳大气高层的一簇簇燃烧着的“火焰林”，叫做针物；还有向上喷射的明亮的小丘般的气流，称为冲浪。在太阳色球层上还可看到由一些纵横交错的亮斑组成的复杂网络，叫做色球网络。

利用色球望远镜可以看到太阳单色像上出现的谱斑，有亮谱斑和暗谱斑。根据观测用的波长，也可将谱斑区分为氢谱斑和钙谱斑，前者可利用HαHα干涉滤波器（只透射656.28纳米左右波段的色球发射）观测到，后者可利用电离钙干涉滤光器（透射波长396.85纳米）观测到。谱斑多出现在黑子附近。

日珥（图9.2.1）是最美丽的色球活动现象，它是从色球边缘喷出的像巨大的火舌一样的炽热气流，呈朱红色；有宁静日珥、爆发日珥、黑子日珥、龙卷日珥等多种类型。日珥的物质密度比日冕大1000～10000倍，温度约为7000K。日珥往往上升到60万～70万千米后再向色球层落下，也有的向上喷射后长期悬浮于日冕之中。日珥在色球上的投影多呈暗条状。

图9.2.1　左上方一个正在喷发的大日珥

日珥是一种由色球层进入日冕的炽热电离气体云，有时甚至延伸到一百几十万千米。产生的原因也许同磁力有关。日珥在大小、形状和运动方面差别很大，而且有活动日珥和宁静日珥两种主要类型。活动日珥快速喷发，持续几分钟至几小时。活动日珥和黑子群有关，而且同黑子群一样，在数量和活动上都同太阳活动周期紧密相关。宁静日珥喷发平缓，减退更慢，可延续几个月。当日全食时，日面完全被月球挡住，用肉眼就可看到如火焰喷射物的日珥。

日珥比太阳圆面暗得多，一般情况下被日晕（即地球大气所散射的太阳光）淹没，不能直接看到。因此必须使用太阳分光仪、单色光观测镜等仪器，或者在日全食时才能观测到。日珥的形状变化万千，有的像浮云，有的似喷泉，还有圆环、拱桥、火舌、篱笆等形状的。日珥的大小不一，一般说来，长约20万千米，高约3万千米，厚约5千千米。日珥主要存在于日冕中，但下部常与色球相连。日珥有很复杂的精细结构，一般由许多条细长的气流组成。流线上有称为节点的亮块或亮点。

日珥在太阳南、北两半球不同纬度处都可能出现，但在每一半球都主要集中于两个纬度区域，而以低纬度区为主。低纬区的日珥的分布与黑子的分布相似，按11年太阳活动周不断漂移。在活动周开始时，日珥发生在30°～40°范围内，然后逐渐移向赤道，在活动周结束时所处的纬度平均约为17°。这比黑子区域的平均纬度始终高10°左右。至于高纬度区，日珥大约在黑子极大期过去3年后才出现，一直存在到黑子极小期。高纬度区的日珥并不漂移，都在45°～50°范围内。上述两个区域的分界约在纬度40°处。

日珥的运动很复杂，具有许多特征。例如，在日珥不断地向上抛射或落下时，若干个节点的运动轨迹往往是一致的；当日珥离开太阳活动时，速度会不断增加，而这种加速是突发式的，在两次加速之间速度保持不变；在日珥节点突然加速时，亮度也会增加。对于这些现象还没有满意的解释。主要问题是：日珥的密度远大于日冕，但宁静日珥可长期存在于日冕中，既不坠落也不瓦解。是什么力量支撑和维持着它？活动日珥和爆发日珥的速度可高达每秒几百千米，动力从何而来？日珥运动往往突然加速，甚至宁静日珥会一下子转变为活动日珥，原因是什么？这些问题都有待于进一步研究。一般认为，除重力和气体压力外，电磁力在日珥活动中是一个重要因素。日珥运动状态的突变可能与磁场的变化有关。

耀斑（图9.2.2）是太阳活动期间出现在太阳色球上最显著的现象，它是太阳色球上迅速发展的亮斑。在100～1000秒的时间内，耀斑可以释放出10²⁷焦耳的能量。通常，将增亮面积超过3亿平方千米的称为大耀斑，小于这个面积的称为亚耀斑。观测耀斑要记录它发生的时刻和寿命，并测量其面积（测量方法同黑子观测）。

图9.2.2　太阳的耀斑