李愛云

(棗莊學院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

太陽黑子周期與行星的引潮力

李愛云

(棗莊學院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

太陽黑子周期的復雜性增加了人們發(fā)現(xiàn)其規(guī)律的困難,本文對黑子長、短周期進行了統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)長周期存在7.1年、14.2年、21.3年、28.4年、42.6年的系列,短周期的時變性比長周期的更明顯.對黑子周期的外部觸發(fā)機制做了討論,發(fā)現(xiàn)黑子周期與行星周期之間有良好的對應(yīng)關(guān)系.

太陽黑子;周期;引潮力＊

0 引言

太陽表面不平靜,有許多活動現(xiàn)象,包括黑子、耀斑、日珥等.黑子是太陽活動的明顯標志,其他活動現(xiàn)象都與黑子有密切關(guān)系.黑子的出現(xiàn)有復雜的周期性,除了眾所周知的11年周期和22年磁周期外,還有約60年、80年、179年甚至更長周期被發(fā)現(xiàn),另外還有各種更復雜的短周期.黑子周期復雜的原因,一方面是產(chǎn)生黑子的機制復雜,另一方面是人們的觀測認識問題.當前公認的黑子產(chǎn)生的內(nèi)部原因是太陽對流層的磁活動[1],而太陽活動的外部觸發(fā)因素也是多方面的,如行星對太陽的引潮力[2],行星驅(qū)動下太陽質(zhì)心的運動[3]等,這是黑子周期復雜的真正原因.黑子周期本身的復雜性也決定了人們發(fā)現(xiàn)其規(guī)律的艱難性,人們由于選用的資料和處理方法不同,可得出許多不同的結(jié)果.這對掌握太陽活動的規(guī)律,預(yù)報太陽活動不利.本文簡要報告我們對太陽黑子長、短周期的統(tǒng)計分析方法和結(jié)果,并對各周期的產(chǎn)生原因作合理的推測.

1 黑子的長周期分析

圖1 258年太陽黑子月均數(shù)(a)及其頻譜(b)Fig 1 An Bwerage Monthly Sunspot Numbers(a)and Amplitude(b)in 258 years

本文數(shù)據(jù)取自美國的《Solar Geophysical Data》中的太陽黑子數(shù)月平均值為黑子長周期的分析資料,時間是1749～2006年,共258年,這段時間的資料比較完整可靠.黑子數(shù)隨時間的變化關(guān)系見圖1(a),其頻譜見圖1(b).可見,最明顯的周期是11.0年,其次是10.0年和11.8年,另外還有170年和68年.注意,這里有一個諧頻系列:7.1年、14.2年、21.3年、28.4年42.6年和170.7,都是7.1年的倍數(shù).這個7.1年系列從未見報道過,但是,最近Obridko等人根據(jù)太陽磁場的數(shù)據(jù)分析得到過一個約7年的周期[4],而與170年周期相近的179年周期曾被發(fā)現(xiàn)[5].

2 黑子的短周期分析

太陽黑子短周期分析的資料取自《Solar Geophysical Data》中1875-2004,共130年的太陽黑子日均數(shù).其頻譜分析結(jié)果見圖2,振幅大于1.5的主要短周期標在圖2上圖中,分別是:2.30年、2.11年、1.76年、1.09年、1.04年、1.00年、0.88年、0.648年.其中有6個周期與行星周期有良好的對應(yīng)關(guān)系.它們是2.30年、2.11年、1.09年、1.04年、1. 00年、0.648年,分別對應(yīng)于火星和木星的會合周期2.24年、火星和地球的會合周期2. 14年、地球和木星的會合周期1.09年、地球和土星的會合周期1.04年、地球軌道周期1.00年、以及金星和木星的會合周期0.649年.

從下圖看出,由于所選資料不同,長周期部分(下圖)與圖1顯示的有點差異,因為圖1資料的時間跨度是圖2的2倍,圖1的結(jié)果更具有可靠性.但是,這也反映出黑子周期的時變性,所謂11年周期,是平均而言,實際每個周期的長度都不精確一致,頻譜分析給出了所分析的這段時間內(nèi)各種周期所占的比例.比較而言,圖2中的短周期部分(上圖)比用黑子數(shù)月均值的效果好,原因是短周期的時變性比長周期更明顯.

圖2 130年太陽黑子日均數(shù)的頻譜Fig2 An Amplitude and Frequency o f"Sunspot in 130 yea rs

考慮到黑子周期的時變性,用多種方法進行了分段頻譜分析,將這130年的黑子數(shù)日均值分別分成6段、12段分析,所得結(jié)果有較大差異.我們發(fā)現(xiàn):黑子的短周期成分非常復雜,每個周期的相對強度隨時間的變化幾乎無規(guī)律可循,但總趨勢是,周期越短的變化越大.

3 黑子周期的外部觸發(fā)機制討論

黑子周期的內(nèi)部機制被公認的是太陽的磁流發(fā)電機理論,而外部行星的引力作用被研究了將近150年,至今仍有較大的爭論.為了探求行星與太陽黑子間的物理聯(lián)系,我們利用本文資料和結(jié)果初步調(diào)查它們間的唯像關(guān)系.鑒于上述分析,本文把注意力放在圖1的長周期頻譜和圖2的短周期頻譜上.圖1中強度較大的三個周期,11.8年、11.0年和10.0年的來源比較明確,11.8年與木星的軌道周期11.86年相近,10.0年與木星和土星的會合半周期9.93相近,而11.0年則與這兩個振動合成的振動周期非常接近[2].本文認為,行星對太陽的作用僅是一個受迫振動的外力,根據(jù)振動理論,太陽對流層的等離子體振動的振幅除了與外力的大小成正比外,還與外力頻率和固有頻率的平方差以及阻尼情況有關(guān),只有外力頻率滿足共振條件時,等離子體振動振幅最大,從而觸發(fā)黑子的增加.而太陽物質(zhì)的固有振動波應(yīng)為駐波,波長和頻率是量子化的,因此黑子頻譜中會出現(xiàn)一系列諧波周期.將黑子其他周期與行星周期比較,的確發(fā)現(xiàn)它們之間有較好的對應(yīng).除了68年和8.5年的黑子周期沒發(fā)現(xiàn)有較好的行星周期對應(yīng)外,其他都對應(yīng)很好,其結(jié)果列于表1中,表中黑子周期欄中的±號后給出的是頻譜分析的精度范圍.

表1 太陽黑子周期與行星周期比較Tab1 Com paritive o f Sunspo ts perild s and p lanetany period s

總之,通過本文的分析,我們相信行星的引力作用對太陽黑子的產(chǎn)生確有觸發(fā)效應(yīng),但是其作用方式可能不是唯一的,一種方式是引潮力直接作用在太陽表面,另一種是行星作用下太陽質(zhì)心產(chǎn)生復雜的周期性運動.但這都是外因,內(nèi)因是太陽對流層的磁活動.

[1]Choudhuri,A.R.Som e recent developm ents in so lar dynamo theory[J].ApA 27,2006:79-85

[2]聶清香,張海霞,左慶林,郝娟.太陽活動11周期的形成原因新探[J].自然雜志,2007,29(4):225-228

[3]de Jager Cornelis,V.&Gerard,J.M.Do Planetary Motions Drive Solar Variability?[J],SoPh 229,2005:175-179

[4]Obridko,V.N.,Sokoloff,D.D.,Kuzanyan,K.M.etal.Solarcycle according to mean magnetic field Data.MNRA [J],S 365,2006:827-832

[5]Charles,M.S.&John,A.E.Planetary tides during the Maunder Sunspot minimum[J].Nature 266,1977:434-435

P136

A

1004-7077(2010)02-0016-03

2009-11-18

李愛云(1982-),山東滕州人,棗莊學院物理與電子工程系助教,碩士,主要從事量子光學的相關(guān)研究。

[責任編輯:陳慶朋]