美国宇航局和世界各地的科学家是如何追踪太阳活动周期的


了解Sun的行为是我们太阳系中生命的重要组成部分。科学家使用若干指标跟踪太阳循环进度。信用:美国宇航局戈达德太空飞行中心

每天早晨,天文学家史蒂夫·帕迪拉从家里到一座150英尺高的塔的基座散步一小段时间。威尔逊山天文台坐落在圣加布里埃尔山,距离洛杉矶向北大约一个小时的车程。长期以来,它一直是空间科学的家——也是帕迪拉的家,这是他作为威尔逊山太阳观测者工作的额外福利之一。威尔逊山有几个太阳系的哨兵;坐落在塔顶的望远镜一直在观察太阳。观测者们密切地研究太阳,这样我们就能更好地了解我们这颗恒星的生命和活动。

帕迪拉董事会户外电梯。他把自己剪切到安全的安全带,它连接到露天驾驶室,自望远镜于1912年进入望远镜以来每天使用的同一行动(被替换的电缆)。

帕迪拉说:“在刮风的日子里,它会有点可怕。”

在顶部,Padilla调整一组镜子,将阳光图像投射到远低于观察室。回到地面上,他使用一系列铅笔,在石墨重量变化,绘制黑点咬住太阳的脸。这次每日汇集是太阳黑子号码的基础,我们的太阳能活动最长。人类观察了太阳黑子 - 从强大的磁活动产生的黑暗斑点 - 超过1000年,并详细追踪它们以来望远镜的发明,过去400。即使与学习太阳的现代航天器,taking the time to draw sunspots remains the chief way they’re counted. Surveying sunspots is the most basic of ways we study how solar activity rises and falls over time, and it’s the basis of how we track the solar cycle.


过去五个太阳周期的太阳黑子数量。科学家利用太阳黑子来追踪太阳活动周期的进展;黑斑与太阳活动有关,通常是巨大爆炸的起源,如太阳耀斑或日冕物质抛射,这些爆炸可以向太空喷射光、能量和太阳物质。该小组查阅了位于布鲁塞尔的比利时皇家天文台(Royal Observatory of Belgium)的世界太阳黑子指数和长期太阳观测数据中心(World data Center)每月更新的太阳黑子数数据。该中心跟踪太阳黑子,并确定太阳活动周期的高点和低点。来源:SILSO数据/图像,比利时皇家天文台,布鲁塞尔

太阳黑子与太阳的自然11年周期相对应,其中太阳从相对平静的往往暴风雨转移。在最活跃的,称为太阳能最大值,太阳与太阳黑子及其磁极相反的焦点。(在地球上,如果北极和南极在每年翻转,那就是如此。)在太阳能最低期间,太阳黑子几乎没有。通常,太阳像蛋黄一样空白,无特色。

了解Sun的行为是我们太阳系中生命的重要组成部分。Sun的强大爆发可以扰乱卫星和通信信号在地球周围行驶,或者有一天,Artemis Astronauts探索遥远的世界。美国宇航局科学家研究太阳循环,因此我们可以更好地预测太阳能活动。截至2020年,太阳已经开始摆脱最小的睡眠,即2019年12月发生的最低睡眠。太阳系25正在进行中,科学家们渴望另一个机会让他们了解太阳循环标志的迹象。

“在进行预测时,最重要的一点是要记住,你会错的,”马里兰州绿带市NASA戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的太阳活动周期专家迪安·佩斯内尔(Dean Pesnell)说。“你永远不可能做到完美。这是你从中学到的东西,让你在预测中取得进展。”

在昏昏欲睡的太阳能最小值期间,帕迪拉观察到更多一尘不染的日子。“没有斑点绘制,所以我只有一份没有纸张,”他说。即使没有太阳黑子的缺失是一个有用的观察:统计一尘不染的日子是太阳的心情转向最小的一个指标。(而不是太阳黑子,黑暗冠状孔最小地覆盖太阳的杆子。)另一方面,在太阳能最大值,数百个斑点可以立即形成。一些图纸可能需要几个小时才能完成。


Silso在比利时皇家天文台的Silso的Sunspot图纸。使用日常手绘图纸测量太阳黑子是我们研究太阳能活动如何随时间升起和落后的最基本的方式,这是我们如何跟踪太阳循环的基础。信用:比利时的Silso /皇家天文台

位于布鲁塞尔的比利时皇家天文台(Royal Observatory of Belgium)的世界太阳黑子指数和长期太阳观测数据中心(World Data Center for The sun黑子Index and long - Solar Observations,简称SILSO)的主任Frédéric Clette说:“太阳有它自己的节奏,我们无法让它加速。”该中心追踪太阳黑子,并确定太阳活动周期的高潮和低潮。“有些人希望一夜之间就能知道太阳是否真的又升起来了,有时我们很难安抚他们的不耐烦。”

在世界各地,观察员进行日常阳光印迹普查。他们每天同时画太阳,使用相同的工具进行一致性。他们的观察组成,弥补了国际太阳黑子号码,是Silso经营的复杂任务。世界各地的大约80个站点有助于他们的数据。究竟在每一天中包含多少站取决于天气(云和高风的太阳遮挡视图),或者太阳能观察者有一次预约。

尽管日常生活干涉,但这些手动调查仍然是我们拥有的太阳黑子最可靠的,长期记录。

比利时皇家太阳观测站的观测者奥利维尔·Lemaître说:“比起手工绘制太阳图,卫星可以做很多事情。”“但想想寿命为10到15年的卫星吧,这只是一个太阳周期。你无法将它与寿命之外的任何东西进行比较。”

但长期研究才是太阳周期科学的支柱。通过大量的历史记录,科学家们可以追踪太阳几十年来的活动轨迹。当涉及到计算太阳黑子时,它不是那么多关于精度或者把观测结果作为数据本身的一致性来解决。尽管他们的城市因冠状病毒大流行而被关闭,但皇家天文台团队的一名观察员每天都前往望远镜塔,以保持记录完好无损。

Lemaître在细节遮挡之前勾勒出一系列太阳黑子,概述了一系列太阳黑子。精致的铅笔工作屏蔽强大的爆炸太阳黑子可以释放。

太阳黑子由强烈磁能的簇产生。通过磁力浮气,它们通过在沸腾的锅中的水稻籽粒的搅拌太阳能材料升起。太阳黑子看起来更暗,因为它们比周围环境凉爽;它们的核心的磁性结防止了消耗太阳表面的能量。当足够的磁能在太阳黑子上建造时,强大的喷发可以自由爆发 - 就像爆炸的苏打水瓶 - 喷射光线和太阳能一样。

如果它们恰好面对地球,这些太阳风暴会干扰卫星、宇航员以及无线电或GPS等通信信号。地球的上层大气可能会相应地膨胀,减缓轨道上的卫星的速度,就像砂石公路减慢汽车的速度一样,从而降低卫星的寿命。虽然没有科学仪器的帮助,我们通常无法看到太阳上的变化,但它们影响着地球和其他行星周围的空间。

追逐太阳能最小值

在太阳内部深处,带电气体以电流的形式流动,产生了太阳的磁场,为其强大的爆发提供燃料。在太阳活动极小期,太阳的磁场会放松。在太阳活动周期的高峰期,是一团混乱的磁力线。理解这个被称为“发电机”的气流,是预测太阳下一步活动的关键。

自1989年以来,太阳周期预测小组——一个由美国国家航空航天局和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)赞助的国际专家小组——每十年开会一次,对下一个太阳周期做出预测。预测包括太阳黑子数量的最大值和周期的预期开始和峰值。这项工作需要评估许多不同的模型,并引导许多个性。

太阳在太阳能最低SDO附近

来自美国宇航局太阳动力学观测站的图像显示了2019年10月太阳极小期附近和2014年4月的最后一次太阳极大期。在太阳活动极小期,黑暗的日冕洞会遮住太阳,而在太阳活动极大期,明亮的活动区会遮住太阳,这表明太阳活动更多。图片来源:美国宇航局太阳动力学天文台/Joy Ng

“我们每个人都有我们最喜欢的预测,或者我们对最有信心的预测,”太空系统研究公司,科罗拉多州,科罗拉多州和预测面板联合椅的太阳能物理学家Lisa Upton说。“我们的职责是达成共识。如果我们采取我们所有的意见和模型,那么最重叠在哪里,我们可以在哪里同意太阳循环将降落?“

科学家们一直在寻找太阳极小期,但他们只能在事后才认识到它。因为最小值是指太阳活动周期中太阳黑子数量最少的时候,科学家们必须看到黑子数量稳步上升,才能确定它们何时处于底部。

更复杂的是,太阳周期经常重叠。当一个周期过渡到下一个周期时,新的和旧的太阳黑子同时出现在太阳上。太阳黑子经常成群出现,就像磁铁一样,每一个都有正极和负极。随着太阳磁场的缓慢翻转,太阳黑子群的极性也随之改变。当一个太阳活动周期的太阳黑子以其正端的领先飘过太阳时,下一个太阳活动周期的黑子就会以负端的先走。最重要的是,太阳两个半球的太阳黑子也有相反的方向。

每个SunSpot的独特磁签名都可以确定产生哪个循环 - 旧的循环 - 旧的循环或新的循环。除了阳光从太阳能最小搅拌时,此外计算太阳黑子,科学家们希望确保所有上升到表面上升的地方都是新的。

厄普顿说:“我只是提醒人们,因为尽管我们对新周期的到来感到兴奋,但我们必须等待,直到我们真正达到最低水平。”他说:“在我们可以说‘最低限度’已经发生之前,可能还需要6到8个月。事实上,直到2020年9月,科学家们才证实太阳在2019年12月达到了太阳活动极小期。

无形指标

除了太阳黑子外,其他指标可以在太阳达到低电平时发出信号。如果太阳的磁场是拼图拼图,仍然缺少一件:磁极处的磁场。虽然科学家不能像太阳的其他部分一样准确地测量极性磁场,但估计提供线索。(很快,ESA,欧洲航天局和美国宇航局的太阳能轨道器将发出新的太阳杆的新图像。)在以前的循环中,科学家们已经注意到在下一个最大的强度下的太阳能最小暗示期间极性磁场的强度。当磁极弱时,下一个最大弱,反之亦然。

在过去的几个周期中,太阳两极的磁场强度稳步下降;太阳黑子数也是如此。两极的强度和上一个周期,第24周期的同一点差不多。

“这是我们模型的大测试 - 无论循环25是否会与循环24一起出现大约相同的情况,”Pesnell说。

太阳循环进展的另一个指标来自太阳系之外。宇宙射线是高能粒子碎片,来自遥远星系的爆炸恒星的瓦砾。在太阳能最大值期间,太阳的强磁场在磁性茧中包围我们的太阳能系统,这很难用于宇宙射线渗透。在近期峰年里,太阳系中的宇宙光线数量越来越多地攀升,让它通过安静的太阳。通过在空间和地面上跟踪宇宙射线,科学家们还有又衡量太阳循环的措施。

虽然最小可能缺乏太阳能最大的烟花,但它对科学家有用。他们预测,并等待他们的估计是如何发挥的。有些人认为是一个返回基础知识的时间。

“在太阳极小期,你可以问比在最大值时更困难的问题,”佩斯内尔说。

一个被称为Helioseismology的太阳能研究领域涉及从太阳内部收集声波的科学家,作为探究难以捉摸的迪纳摩的一种方式。在太阳能最小期间,它们不必担心声波撞击太阳黑子和太阳能最大的活动区域。当太阳黑子从视野中消失时,科学家有机会在没有所有的太阳剧中冒险他们的模型。

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