直接影响航天和航空飞行安全 人造卫星寿命 无 一门观测的科学[4] 线电通讯 高纬度地区电网和管道系统 导航 物 太阳望远镜可分为地基太阳望远镜和空基太 探 气象和水文等国防和国民经济诸多基础设施 阳望远镜两大类 早期的空间太阳望远镜主要观 的可靠运行 对太阳电磁辐射和粒子辐射中稳定 测因受地球大气

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1 太阳物理研究与发展* 文/颜毅华 谭宝林 中国科学院国家天文台 中国科学院太阳活动重点实验室 北京 摘 要 太阳是离地球最近的一颗恒星 也是人类可以进行具有一定空间分辨率 地详细观测和研究的唯一恒星 在现代物理学和天文学的发展中扮演着重要的角 色 同时 太阳为人类家园带来了温暖和光明 太阳的剧烈活动也对人类产生重大 影响 探索太阳对现代社会的可持续发展具有极其重要的意义 本文简要介绍了 太阳物理学的基本内容 研究方法 总结了过去半个多世纪太阳物理学研究所取 得的主要成就 在此基础上对太阳物理学的前沿科学难题及未来发展前景进行了 讨论 关键词 太阳 爆发 等离子体 日地环境 DOI /j.issn 前言 在茫茫宇宙数以亿计的恒星中 太阳是 与 人 类 家 园 地 球 关 系 最 为 密 切 的 一 个 由于它到地球的距离 约 1.5 亿公里 仅 仅只有到离我们最近的另一个恒星 半 人马座α星的 28 万分之一 所以太阳是宇宙 中能被人类以最高分辨率进行观测和研究 的一颗恒星 为了研究太阳的结构 物质组 成 能量来源与传输 太阳活动与演化以及 对太阳系空间的作用和影响等问题而形成 了天体物理学中最早发展起来 并对天文学 的发展具有重大影响的分支学科 太阳 物理学 其用物理学的理论与方法研究太阳 的本质和演化[1] 太阳是一个与地球有直接物质联系的 日地系统的母体 日地之间通过太阳发射 的带磁场的高速太阳风进行物质联系 地球 实际上处在太阳全波段电磁辐射和高能粒 子发射的背景中 日地空间环境和地球高层 大气结构在很大程度上取决于太阳电磁辐 射和粒子发射特征 人们研究地球环境的 变迁 地球生命演化等重大课题时都必须考 虑太阳因素 太阳活动引起的电磁辐射和 粒子发射增强严重干扰地球附近空间环境 如地球轨道附近的太阳质子事件 地球电离 * 收稿日期 2011 年 10 月 18 日 层骚扰 地磁暴 平流层升温等 这些变化将 院刊 59

2 直接影响航天和航空飞行安全 人造卫星寿命 无 一门观测的科学[4] 线电通讯 高纬度地区电网和管道系统 导航 物 太阳望远镜可分为地基太阳望远镜和空基太 探 气象和水文等国防和国民经济诸多基础设施 阳望远镜两大类 早期的空间太阳望远镜主要观 的可靠运行 对太阳电磁辐射和粒子辐射中稳定 测因受地球大气吸收而不能到达地面的太阳紫 成分和扰动成分的能谱进行研究 探讨太阳活动 外 X 光和γ辐射 以及因地球磁场作用而无法到达 的规律性并对其进行预测预报 是太阳物理研究 地面的太阳粒子流 由于空间观测不仅可以避免 的关键课题[2] 地球大气吸收 还可以避免地球大气扰动对太阳 太阳物理学研究不仅对认识天体物理过程 电磁辐射波前的扰动 可以显著提高空间分辨率 而且对广泛的自然科学问题的探索都具有重要意 和图像的稳定性 因此 自上世纪 80 年代开始 人 义 太阳还是一个完全由高温磁化等离子体构成 们陆续开始研制探测太阳可见光 近红外 甚至射 的巨大天体 人们在地面等离子体实验室研究中 电辐射的空基望远镜 因时间和空间尺度的限制而无法得到的一些物理 1 地基太阳望远镜 由于太阳辐射的绝大 过程 则可以通过对太阳的研究得到弥补 关于太 部分能量集中在可见光和近红外波段 正好这些 阳爆发机制 太阳磁场和太阳活动起源的研究以 波段的辐射可以穿透地球大气层到达地面 因 及太阳大气动力学和行星际动力学现象的研究 此 在太阳望远镜中 地基望远镜占有非常重要的 直接推动着等离子体物理和磁流体力学的迅速发 地位 即使在空基望远镜得到迅速发展的今天 同 [3] 展 样离不开地基望远镜观测的配合 美国科学院关于 新千年天文学和天体物理 地球大气是地面观测太阳的主要障碍 一般 学 规划认为 太阳物理学研究已经远远地超出了 地基太阳光学望远镜只能达到 1 2 角秒的空间分 狭义太阳物理和天体物理学范畴 正在向 3 个重大 辨率 经过特殊选址的观测基地 空间分辨率可达 方向扩展 1 把太阳作为等离子体物理学研究的 到 角秒 最近 人们在经过多年选址找到 天然实验室 2 理解和预报太阳活动对地球气候 的西班牙 Canary 群岛上建成的瑞典 1 米口径太阳 和日地环境的作用和影响 3 理解太阳演化对行 望远镜上获得了空间分辨率达 0.1 角秒的太阳黑 星系统以及生命演化的作用 并在多学科层面获 子图像 中科院国家天文台怀柔太阳观测基地的 取新的知识 35 厘米口径多通道太阳望远镜能够实现对太阳三 总之 可以说 太阳物理学是一门联系现代天 维矢量磁场 视向速度场 各种单色像和白光像的 文学 现代物理学和地球环境科学的综合性交叉 全日面或活动区同时观测 是迄今已建成的功能 学科 太阳物理学的发展 直接关系到科学和社 最齐全的地基太阳望远镜之一 会的诸多领域的发展 具有十分重大的意义 2 太阳物理学的研究方法 和其他天体物理学分支一样 太阳物理学的 研究方法主要包括两大方面 观测和理论研究 2.1 太阳观测 太阳物理学是天文学的一个分支学科 主要 是通过研制各种各样的太阳望远镜对发生在太阳 上的各种物理现象和过程进行系统观测 收集各 种信息 获得感性材料 因此 太阳物理学首先是 年. 第 27 卷. 第 1 期 计划中的其他地基项目包括美国大熊湖 1.6 米太阳望远镜 NST/BBSO 国立天文台 4 米太阳 望远镜(ATST) 美国夏威夷 1.5 米日冕磁场望远镜 COSMO 印度 2 米级太阳望远镜 NLST 中国 巨型太阳望远镜 CGST 等都将在探测技术方面 有所突破 除了地基光学望远镜外 还有很重要的一类 太阳望远镜 地基太阳射电望远镜 从射电的 亚毫米波 频率达 1 000GHz 到 10 米波 30MHz

3 太 阳 物 理 研 究 与 发 展 的 宽 广 波 段 范 围 内, 地 球 大 气 的 吸 收 都 很 弱, 完 全 可 以 通 过 地 面 望 远 镜 来 实 现 在 该 波 段 的 太 阳 观 测 地 基 太 阳 射 电 观 测 经 历 了 从 单 频 总 流 量 观 测 多 频 总 流 量 观 测 宽 带 动 态 频 谱 观 测, 以 及 单 频 成 像 观 测 多 频 成 像 观 测 的 发 展 趋 势, 目 前 正 在 朝 着 宽 带 动 态 频 谱 成 像 观 测 方 向 发 展 中 科 院 国 家 天 文 台 2001 年 在 北 京 怀 柔 太 阳 观 测 基 地 建 成 的 中 国 太 阳 射 电 宽 带 动 态 频 谱 仪 (SBRS/ Huairou) 工 作 于 厘 米 分 米 波 段, 拥 有 目 前 国 际 上 最 高 的 时 间 - 频 谱 分 辨 率, 在 国 际 同 类 装 置 中 处 先 进 水 平, 已 经 连 续 运 行 10 年 正 在 内 蒙 古 正 镶 白 旗 建 设 的 新 一 代 厘 米 分 米 波 太 阳 射 电 日 像 仪 (CSRH) 是 一 种 宽 带 动 态 频 谱 日 像 仪, 由 100 面 抛 物 面 天 线 组 成 一 个 最 大 基 线 长 度 为 3 公 里 的 三 臂 螺 旋 阵 列, 将 工 作 在 从 400MHz 到 15GHz 的 宽 频 段 内, 具 有 高 空 间 - 时 间 - 频 率 分 辨 本 领, 建 成 后 将 具 有 国 际 领 先 水 平 计 划 中 的 美 国 变 频 太 阳 射 电 望 远 镜 (FASR) 也 与 CSRH 具 有 相 近 的 探 测 能 力 (2) 空 基 太 阳 望 远 镜 我 们 知 道, 太 阳 爆 发 现 象, 如 耀 斑 日 冕 物 质 抛 射 爆 发 日 珥 等, 几 乎 全 都 发 生 在 太 阳 大 气 中, 除 光 球 外, 太 阳 色 球 的 辐 射 主 要 集 中 在 波 长 为 nm 之 间 的 紫 外 波 段, 日 冕 的 辐 射 则 主 要 发 生 于 波 长 <90nm 的 极 紫 外 和 X 光 波 段 由 于 地 球 大 气 的 吸 收, 波 长 <290nm 的 太 阳 电 磁 辐 射 基 本 上 无 法 到 达 地 面, 对 它 们 的 探 测 只 能 借 助 于 地 球 大 气 层 外 的 空 间 自 上 世 纪 60 年 代 以 来, 美 国 前 苏 联 日 本 欧 盟 等 先 后 发 射 了 数 十 个 太 阳 探 测 卫 星, 如 美 国 海 军 的 Solarad 卫 星 系 列 NASA 的 OSO 卫 星 系 列 探 险 者 卫 星 系 列 前 苏 联 的 预 报 者 卫 星 系 列 1980 年 美 欧 合 作 的 太 阳 极 大 年 使 者 (SMM) 1981 年 日 本 的 火 鸟 (Hinotori) 卫 星 1990 年 欧 洲 的 尤 利 西 斯 (Ulysses) 探 测 器 1991 年 日 美 英 合 作 的 阳 光 (Yohkoh) 卫 星 1995 年 欧 美 合 作 的 太 阳 与 日 球 天 文 台 (SOHO) 1998 年 美 国 发 射 的 过 渡 区 和 日 冕 探 测 器 (TRACE) 2002 年 欧 洲 高 能 太 阳 分 光 成 像 卫 星 (RHESSI) 2006 年 日 本 发 射 的 日 出 (Hinode) 新 一 代 大 型 综 合 性 太 阳 探 测 卫 星 等 2006 年 美 欧 合 作 发 射 的 日 地 关 系 天 文 台 (STEREO) 双 子 卫 星, 能 与 SOHO 一 起 从 3 个 角 度 拍 摄 太 阳 的 立 体 图 像, 可 更 准 确 地 计 算 出 日 冕 物 质 抛 射 的 方 向 和 抵 达 地 球 的 时 间 2010 年 美 国 发 射 的 太 阳 动 力 学 天 文 台 (SDO) 卫 星, 运 行 在 公 里 高 的 地 球 同 步 轨 道 上, 搭 载 了 3 部 太 阳 探 测 仪 器, 能 够 不 间 断 地 对 太 阳 进 行 高 分 辨 率 的 快 速 成 像, 每 秒 钟 拍 摄 1 张 太 阳 照 片 ( 相 比 之 下,STEREO 每 3 分 钟 拍 摄 1 张,SOHO 每 12 分 钟 拍 摄 1 张 ) 我 国 在 1 米 口 径 空 间 太 阳 望 远 镜 (SST) 的 研 制 基 础 上, 正 积 极 推 动 深 空 太 阳 探 测 计 划, 希 望 发 射 到 距 离 地 球 约 150 万 公 里 的 日 地 第 一 拉 格 朗 日 点 上, 建 立 深 空 太 阳 天 文 台 (DSO), 以 前 所 未 有 的 精 细 程 度 观 测 和 研 究 太 阳 磁 场 的 基 本 结 构 和 演 化 特 征, 对 太 阳 耀 斑 和 日 冕 物 质 抛 射 等 爆 发 活 动, 进 行 高 能 极 紫 外 可 见 光 和 射 电 波 段 的 连 续 观 测, 揭 示 太 阳 活 动 中 磁 能 存 储 与 释 放 的 物 理 机 理, 为 太 阳 活 动 预 报 提 供 最 新 的 物 理 依 据, 并 为 灾 害 性 空 间 天 气 预 警 服 务 另 一 方 面, 日 冕 物 质 抛 射 太 阳 风 行 星 际 激 波 和 高 能 粒 子 现 象 等 传 播 加 速 与 演 化 的 主 要 空 间 位 于 太 阳 表 面 以 上 4 5 倍 太 阳 半 径 到 200 余 倍 太 阳 半 径 之 间 的 日 地 空 间, 在 这 个 广 阔 区 域, 由 于 等 离 子 体 十 分 稀 薄, 电 磁 辐 射 主 要 位 于 从 几 十 khz 到 几 十 MHz 之 间, 该 频 段 称 为 太 阳 甚 低 频 波 段 (VLF) 由 于 地 球 电 离 层 的 吸 收 和 反 射 等 的 影 响, 以 及 电 台 电 视 台 雷 达 各 种 通 讯 信 号, 以 及 雷 电 火 山 爆 发 等 人 工 信 号 和 自 然 辐 射 的 频 院 刊 61

4 率大多也位于该频段 剔除它们十分困难 地基探 观的物理图像 近年来太阳物理的数值模拟研究 测基本上无法接收到来自于太阳的 VLF 信号 因 得到了迅速发展 我国学者也做出了很有特色的 此必须将望远镜发射定位到地球电离层以外的空 工作 例如关于太阳耀斑和 CME 的 Forbe-Lin 模型 间去 尤其是在远离地球的深空最适合于 VLF 信 和 Shibata-Chen 模型等 另外一个基于数值模拟 号的接收 这就是空间甚低频射电探测 目前 而产生的重要领域就是太阳日冕磁场的理论外 STEREO 上 搭 载 了 太 阳 甚 低 频 的 探 测 设 备 推 因为迄今我们还无法对日冕磁场进行直接可 SWAVES 我国正在预研的 DSO 也计划搭载太阳 靠的测量 理论外推是我们获得日冕磁场信息的 甚低频探测分系统 将在 10kHz 到 30MHz 范围内 重要手段 实现高时间-频谱分辨率的宽带动态频谱观测 2.2 太阳物理理论研究 太阳物理的理论研究主要可分为 3 种途径 1 模型研究 在观测事实的基础上 根据有 关物理概念和规律 建立物理模型 解释太阳观测 现象 反演太阳物理参数 再现太阳物理过程 揭 示其物理本质 获得有关理性认识 并推断其发生 发展趋势 这是太阳物理理论研究的主要目标 这种模型研究涉及等离子体物理 电动力学 流体 与磁流体力学 粒子物理 量子辐射理论等 人们 关于太阳风的早期研究印证了理论研究的重要 性 英国数学家 Chapman 首先通过理论计算获得 了在太阳日冕的高温及良导体条件下气体的性 质 发现日冕将延伸到地球轨道外空间 1958 年 Parker 从理论上预言应该有一股强劲的风从太阳 表面不间断地吹出来 使等离子体充斥整个行星 际的空间 1962 年卫星观测直接证实了上述预言 改变了科学家对行星际空间的看法 并得以解释 磁暴 极光以及其他一些太阳 地球甚至恒星形成 现象等 太阳物理学理论研究方面最重要的发 展 无疑是上世纪 40 年代 Alfven 所发现的在高导 电流体中磁场与流场的耦合 从而把等离子体物 理理论应用于太阳研究 解释了许多太阳及其他 天体物理观测现象 获得了 1971 年诺贝尔物理学 奖 2 数值模拟 太阳物理问题中常常包含很 多自由参数 这给解析求解增加了很大的难度 有 些问题甚至得不到解析解 随着现代计算机技术 的发展 数值求解已经成为可能 通过数值模拟 常常能够从复杂的太阳物理过程中提取出非常直 年. 第 27 卷. 第 1 期 3 实验室模拟 在实验室里通过构造太阳 物理中的某些条件来研究某些过程也是一个重要 的研究方法 近年来 国内逐步开始实验室模拟 研究 并取得了一定进展[5] 3 太阳物理的研究进展 太阳物理学的真正发展始于 19 世纪初 1802 年首次发现太阳的吸收光谱 1844 年发现太阳黑 子活动具有 11 年周期性 1859 年发现太阳耀斑 1908 年测定黑子磁场 1939 年确立日冕的存在 1942 年发现太阳米波射电辐射 确认日冕为高温 等离子体 1946 年提出耀斑的磁重联机制 发现紫 外和 X 射线光谱 1950 年提出射电辐射机制 1955 年 发 现 太 阳 普 遍 磁 场 1958 年 预 言 太 阳 风 并 于 1962 年得到观测证实 1960 年发现太阳 5 分钟振 荡并导致 10 余年后日震学的建立和发展 1961 年 提出太阳周唯象模型 1968 开展太阳中微子探测 并发现中微子短缺现象 这一问题直到 2001 年才 被 Davis 和小柴昌俊基本解决并获得了 2002 年诺 贝尔物理奖 1971 年发现日冕物质抛射这一新的 太阳大气爆发形式 年初步建立太阳 耀斑标准模型 1983 年发现过渡区爆发现象 并证 实它源于低层大气磁场重联 20 世纪 90 年代以后太阳与日球物理的研究进 入了一个全面发展时期 [3] 这期间空间卫星探测 占 主 导 地 位 Yohkoh SOHO RHESSI TRACE Hinode Stereo 和 SDO 等太阳探测卫星无论是在探 测技术还是在探测范围都得到了空前提高 开启 了多波段 全时域 高分辨率和高精度探测时代 结合一系列地面观测设备的联合研究 取得了一

5 太 阳 物 理 研 究 与 发 展 系 列 科 学 发 现 :1992 年 日 震 学 研 究 在 太 阳 辐 射 层 和 对 流 层 边 界 发 现 了 一 个 速 度 高 度 剪 切 厚 度 只 有 约 0.05 倍 太 阳 半 径 的 Tachocline 层, 被 认 为 是 太 阳 磁 场 和 太 阳 周 发 端 的 孕 床 ; 发 现 了 活 动 区 浮 现 的 明 显 证 据 ; 发 现 在 接 近 太 阳 表 面 附 近 稳 定 流 向 极 区 的 子 午 环 流 ; 三 维 磁 流 体 数 值 模 拟 再 现 了 活 动 区 浮 现 的 主 要 观 测 特 征, 太 阳 磁 场 与 电 流 和 磁 螺 度 同 时 浮 现, 通 过 对 流 塌 缩 和 浮 力 不 稳 定 性 发 展 为 与 太 阳 表 面 近 垂 直 并 超 过 1.5kG 的 磁 场 ; 太 阳 活 动 区 的 谱 斑 辐 射 增 强 超 过 黑 子 本 影 和 半 影 的 吸 收 ; 红 外 太 阳 向 量 磁 场 观 测 取 得 进 展, 得 到 在 温 度 极 小 区 高 达 5G/km 的 磁 场 梯 度, 揭 示 低 层 大 气 电 流 片 结 构 的 存 在 ; 太 阳 表 面 小 尺 度 磁 场 的 浮 现 和 对 消 在 约 40 小 时 的 时 标 内 迅 速 更 新 太 阳 表 面 磁 通 量 ; 观 测 到 太 阳 极 区 的 kg 磁 场 以 及 太 阳 表 面 量 大 命 短 的 水 平 磁 场 太 阳 表 面 的 局 地 磁 发 电 机 可 提 供 足 够 的 磁 能 加 热 太 阳 外 层 大 气 ; 太 阳 表 面 到 处 都 存 在 小 尺 度 的 磁 环, 它 们 受 对 流 等 离 子 体 影 响, 形 成 磁 毯 结 构, 很 可 能 与 传 统 的 磁 结 构 伞 盖 模 型 不 一 致 太 阳 外 层 大 气 和 日 球 方 面, 发 现 色 球 和 过 渡 区 之 间 无 明 显 边 界, 其 光 谱 特 征 远 离 局 部 热 动 平 衡, 是 非 线 性 磁 流 体 动 力 学 过 程 在 辐 射 转 移 中 的 反 映 ; 有 磁 场 和 无 磁 场 区 域 很 可 能 存 在 不 同 的 大 气 模 型, 标 准 大 气 模 型 只 是 一 个 平 均 结 果 ; 初 步 证 认 日 冕 中 波 的 传 播 磁 重 联 微 耀 斑 对 UV 和 EUV 谱 线 轮 廓 的 影 响 ; 射 电 X 射 线 光 谱 和 白 光 日 冕 观 测 揭 示 日 冕 以 日 冕 物 质 抛 射 (CME) 的 形 式 向 行 星 际 空 间 抛 射 磁 化 等 离 子 体 和 磁 螺 度, 同 时 通 过 发 生 在 CME 和 耀 斑 之 间 的 电 流 片 当 中 的 磁 重 联 释 放 磁 自 由 能 ;CME 的 源 区 触 发 机 制 与 太 阳 耀 斑 及 爆 发 日 珥 的 关 系 对 地 有 效 性 以 及 高 速 太 阳 风 起 源 的 研 究 均 取 得 了 实 质 性 的 进 展 我 国 学 者 在 太 阳 表 面 磁 学, 包 括 太 阳 活 动 区 向 量 磁 场 演 化 和 太 阳 弱 磁 场 研 究, 太 阳 活 动 大 气 的 光 谱 诊 断 基 于 非 局 部 热 动 平 衡 理 论 计 算 的 半 经 验 大 气 模 型 耀 斑 动 力 学 过 程 太 阳 活 动 中 的 高 能 辐 射 太 阳 大 气 中 的 微 观 等 离 子 体 机 制 太 阳 风 理 论 和 模 型 太 阳 磁 场 的 理 论 外 推 太 阳 活 动 磁 流 体 理 论 与 数 值 模 拟 太 阳 活 动 中 长 期 变 化 等 方 向 开 展 了 一 系 列 原 创 性 研 究, 在 国 际 学 术 界 已 占 有 一 席 之 地 4 太 阳 物 理 学 的 前 沿 难 题 在 一 代 又 一 代 太 阳 物 理 学 家 百 余 年 的 不 懈 探 索 后, 关 于 太 阳 仍 然 存 在 许 多 尚 未 解 决 的 难 题 美 国 学 者 Aschwanden 在 一 篇 综 述 文 章 中 列 出 了 10 个 太 阳 物 理 学 中 的 重 要 [6] 课 题 2007 年, 由 教 育 部 科 技 部 中 科 院 和 国 家 自 然 科 学 基 金 委 联 合 向 国 内 外 工 作 在 科 研 一 线 的 科 学 家 们 发 起 了 个 科 学 难 题 的 征 集 活 动, 其 中, 有 关 太 阳 和 日 [7] 地 科 学 领 域 中 共 征 集 了 50 个 难 题 我 们 将 它 们 概 括 成 如 下 几 个 主 要 问 题 : (1) 太 阳 内 部 结 构 问 题 对 于 太 阳 内 部 结 构 问 题 的 研 究 主 要 取 决 于 探 测 方 法, 这 包 括 两 大 途 径 : 中 微 子 探 测 途 径 和 日 震 学 途 径, 这 两 个 途 径 是 互 相 补 充 的 中 微 子 探 测 : 人 们 基 本 上 已 弄 清 所 谓 的 中 微 子 失 踪 是 因 为 中 微 子 振 荡, 即 中 微 子 从 其 源 区 释 放 出 来 后 在 其 传 播 过 程 中 能 够 在 其 三 种 味 之 间 相 互 转 化 这 也 表 明, 中 微 子 拥 有 一 定 的 静 止 质 量 详 细 分 析 各 实 验 室 的 观 测 数 据 还 发 现, 太 阳 中 微 子 流 量 存 在 着 多 个 周 期 性, 其 中, 最 主 要 的 周 期 接 近 太 阳 自 转 的 周 期 这 表 明 中 微 子 流 量 可 能 与 太 阳 磁 场 之 间 存 在 着 相 互 作 用, 而 且 中 微 子 还 拥 有 一 定 磁 矩 根 据 这 些 周 期 性, 人 们 推 测 出 中 微 子 与 磁 场 的 作 用 很 可 能 发 生 在 太 阳 对 流 层 底 部 的 速 度 剪 切 层 (tachocline), 院 刊 63

6 这个区域正是产生太阳磁场的地方 另外 由中 效应来说明太阳磁场起源中的若干问题 目前公 微子流量的变化还可推测出辐射层的自转速度 认的是较差自转理论 即太阳的较差自传使光球 这一速度与日震学方法所给出的速度接近 通过 下面的水平磁力线管互相缠绕并上浮到日面 形 中微子流量变化的研究发现 在日核与辐射层交 成双极黑子 大量双极黑子磁场的膨胀和扩散使 界的地方似乎还存在另外一个速度剪切层 可能 原来的普遍磁场被中和 接着就会出现极性相反 是另一个发电机机制孕育的地方 上述结果有待 的普遍磁场 这样可以解释太阳 22 年的磁活动周 进一步观测检验 现象 日震学探测 根据国际上多个日震观测台网 高分辨率观测表明 太阳磁场存在复杂的精 GOLF VIRGO SOI GONG BISON TONG 的 细结构 在活动区的同一个黑子范围内各处磁场 观测数据 已能在千分之一的精度上反演从太阳 强度往往相差悬殊 并且在一个就整体说来是某 表面附近直到日心的声速分布 在百分之一的精 一极性 例如 N 极 的黑子里 常含有另一极性 S 度上给出太阳内部密度和压强的分布 并相当精 极 的小磁结点 因此 单极黑子并不存在 在横 确地给出太阳内部自转的轮廓 但是 对于 0.4 倍 向磁场图上 不仅各处强度不同 方位角也不一 太阳半径以内的区域 只能通过重力模 g 模 的探 样 在黑子半影中 较亮条纹与它们间的较暗区 测才能进行研究 然而迄今探测 g 模仍然是一个尚 域的磁场也有明显差异 在活动区中 磁结点直 未解决的问题 径 约 为 公 里 磁 场 强 度 为 高 2 太阳磁场问题 太阳磁场问题包括两大 斯 在宁静区 过去认为只有强度约为 1 10 高斯 方面 一是太阳磁场的探测问题 另一个是太阳磁 的弱磁场 最新的观测表明 宁静区的磁场的强 场的起源和活动规律问题 度同样是很不均匀的 也含有许多磁结点 宁静区 对于磁场探测 我们面临如下问题 ①目前最 磁结点的尺度不到 200 公里 磁通量却占整个宁静 可靠的太阳磁场测量主要是集中在太阳光球附近 区的 90%左右 由于磁通量高度集中 磁结点的 有限区域中应用谱线的 Zeeman 效应进行测量 而 磁场强度可达上千高斯 远远超过宁静区大范围 且在磁场矢量的纵向分量和横向分量的测量精度 的平均磁场强度 对上述结构的形成机制 目前 几乎相差一个数量级 如何进一步提高横场的测 还没有一个合理的解释 量精度还是一个难题 ②横场测量的 180 度不确定 3 太阳大气的反常加热问题 太阳物理中 性也是一个未解的难题 ③色球和日冕中的磁场 最令人费解的是太阳外层大气 色球和日冕 的温 测量 迄今还没有可靠的解决办法 射电诊断是 度比内层的光球高得多 是什么机制导致了太阳 最可能的一个途径 但是依赖于射电辐射机制 而 高层大气的反常加热 数十年来一直困扰着天体 在该区域 有多种辐射机制同时发生作用 如何分 物理学家们 一般认为 反常加热的能源应当来 别反演也是一个非常困难的问题 ④如何进一步 自对流层气团运动激发的机械能流 如声波和重 提高磁场测量的空间分辨率直至探测基本磁元 力波等 一些研究表明声波或转换为激波后可 这也是一大挑战 例如 理论估计磁元的大小在 以向外传播和耗散 似乎可以加热色球层 日冕 0.1 角秒左右 迄今尚未实现观测磁元 加热则可能涉及磁流体动力学过程 迄今已提出 [8] 关于太阳磁场的起源和活动规律 涉及太阳 至少两种类型的模型 它们是磁流体波耗散 主要 内部物质的对流运动及相互作用 一般认为太阳 是 Alfven 波 和电流耗散模型 前者可以通过日 磁场是带电物质运动使太阳原初微弱的种子磁场 冕磁环中的共振吸收进行加热 后者如 Parker 提出 得到放大的结果 既然太阳的物质绝大部分是等 的拓扑耗散或微耀斑加热等 此外 还有磁流体 离子体 并且经常处于运动状态 可以利用发电机 湍流加热等 另外 色球针状体和小纤维的本质 年. 第 27 卷. 第 1 期

7 太阳物理研究与发展 及其在太阳高层大气能量传输中的作用还 7 太阳活动预报问题 太阳将在什么 不清楚 使得太阳高层大气反常加热的研究 时 间 什 么 地 点 以 何 种 方 式 发 生 爆 发 活 更具复杂性和不确定性 动 这些都是我们想知道的问题 然而由于 4 太阳大气爆发活动的起源问题 宏 观测技术和理论认识水平的限制 目前我们 观上稳定的太阳为什么会突然出现爆发现 还无法对这些问题给出明确的答案 象 一直是太阳物理学中最热门的研究课 5 太阳物理学的发展 题 这些爆发现象主要包括太阳耀斑 日冕 物质抛射 爆发日珥等 它们涉及许多复杂 未来太阳物理学的发展主要体现在 3 个方面 的物理过程 包括 1027 焦耳数量级的能量积 首先 在太阳物理理论研究方面 无论 累 等离子体不稳定性的触发 高能粒子的 是太阳活动的起源研究 还是各种时间尺度 加速与传播 以及相应的从γ射线 χ射线 紫 的太阳活动周的起源探索 似乎都与各种空 外和可见光 直至射电波段电磁辐射增强的 间尺度的等离子体湍流与磁场的相互作用 机制 源区的大气动力学变化 以及物质运 有密切的联系 太阳作为天体等离子体的 动和抛射等 天然实验室 对太阳物理的探索 必将推动 5 太阳活动周的起源问题 太阳长期 活动行为具有多种尺度的周期性 其中最著 名的就是约 11 年的 Schwabe 活动周 除此外 天体物理学其他领域和等离子体物理等学 科的发展 第二 在太阳物理探测方面 探索新的 还有其他多周周期 160 天 2 3 年 51.5 年 太阳观测方法和手段 扩展望远镜的观测能 103 年 这些不同时间尺度的周期性一定 力始终是太阳物理的前沿课题 所有观测方 与太阳内部的某种结构和运动以及太阳周 法的革新和观测工具的改进 都会极大地推 边的环境特征有关联 这些关联机制目前 动太阳物理学的发展 太阳物理探测技术 还是一个未解之谜 一般认为维持周期性 随时都在从同时代的光学 机械 电子学 无 太阳活动的物理机制 是太阳等离子体自身 线电等技术中吸取营养 不断发展和创新 运动产生的磁场所表现的周期性现象 与运 第三 因为太阳活动直接作用于地球空 动导体通过感应产生磁场的自激发电机原 间环境 与人类生存及国民经济发展和国家 理相似 称为太阳发电机理论 其核心问题 安全的许多领域密切关联 因此 太阳物理 是利用磁流体力学方程组 在太阳较差自转 的研究将越来越受到从政府到民间的高度 和湍动对流条件下 寻求太阳极向磁场与环 重视 具有很好的发展前景 向磁场之间的周期性转换 即发电机解 6 太阳活动与日地空间环境的作用机 制问题 太阳爆发活动向日地空间环境释 放出大量的带电粒子流和各波段电磁辐射 增强 它们通过什么样的机制对日地空间环 境 地球电离层 大气层等产生作用 并对地 球气候变化产生影响 这是人们非常关注的 问题 然而到目前为止 人们的认识还非常 有限 主要参考文献 1 Lang K R. The Sun from Space. Berlin: SpringerVerlag, Foukal P V. Solar Astrophysics, New York, John Wiley and Sons, Inc., 中国天文学会编著. 天文学报告 北京 中国科学技术出版社 汪景.太阳物理研究进展. 物理 院刊 65

8 5 Zhong J Y, Li Y T, Wang X G et al, Modeling loop-top X-ray source and reconnection outflows in solar flares with intense lasers. Nature Physics, 2010, 6: Aschwanden M J. Keynote address: Outstanding problems in solar physics. JApA, 2008, 29, 个科学难题 天文学编委会 个科学难题 天文学卷. 北京: 科学出版社 Berger T E, Rouppe van der Voort L H M, Löfdahl M G et al. Solar magnetic elements at 0.1" resolution. A&A, 2005, 428: Research and Development of Solar Physics Yan Yihua Tan Baolin Key Laboratory of Solar Activity, National Astronomical Observatories of CAS Beijing Abstract The Sun is the nearest star to our Earth. It is the only star which can be observed and investigated by us in some spatial resolutions. It plays an important role in the development of modern astrophysics and astronomy. Meanwhile, the Sun brings us the warmth and brightness and its intense activities also have a great effect on the terrestrial environment. It is extremely meaningful to explore the activities and revolutions of the Sun. This paper introduces the basic conceptions and the research methods of the solar physics, makes a brief summary of the main achievements during the past half century, and then discusses the key problems and the prospective on the frontier of solar physics. Keywords the Sun, eruptive process, plasma, solar-terrestrial environment 颜毅华 中科院国家天文台研究员 博士生导师 台长助理 1962 年 4 月出生于陕西西安 现任太 阳物理研究部主任 太阳射电研究团组首席研究员 中科院太阳活动重点实验室主任 中国天文学会太 阳与日球物理专业委员会主任 中国电子学会射电天文分会主任 中科院深空太阳探测论证组组长 主 要研究方向 太阳物理 射电天文方法及空间天文技术 yyh@bao.ac.cn 年. 第 27 卷. 第 1 期

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