太阳黑子周期与行星的引潮力

李爱云

(枣庄学院物理与电子工程系,山东枣庄 277160)

太阳黑子周期与行星的引潮力

李爱云

(枣庄学院物理与电子工程系,山东枣庄 277160)

太阳黑子周期的复杂性增加了人们发现其规律的困难,本文对黑子长、短周期进行了统计分析,发现长周期存在7.1年、14.2年、21.3年、28.4年、42.6年的系列,短周期的时变性比长周期的更明显.对黑子周期的外部触发机制做了讨论,发现黑子周期与行星周期之间有良好的对应关系.

太阳黑子;周期;引潮力＊

0 引言

太阳表面不平静,有许多活动现象,包括黑子、耀斑、日珥等.黑子是太阳活动的明显标志,其他活动现象都与黑子有密切关系.黑子的出现有复杂的周期性,除了众所周知的11年周期和22年磁周期外,还有约60年、80年、179年甚至更长周期被发现,另外还有各种更复杂的短周期.黑子周期复杂的原因,一方面是产生黑子的机制复杂,另一方面是人们的观测认识问题.当前公认的黑子产生的内部原因是太阳对流层的磁活动[1],而太阳活动的外部触发因素也是多方面的,如行星对太阳的引潮力[2],行星驱动下太阳质心的运动[3]等,这是黑子周期复杂的真正原因.黑子周期本身的复杂性也决定了人们发现其规律的艰难性,人们由于选用的资料和处理方法不同,可得出许多不同的结果.这对掌握太阳活动的规律,预报太阳活动不利.本文简要报告我们对太阳黑子长、短周期的统计分析方法和结果,并对各周期的产生原因作合理的推测.

1 黑子的长周期分析

图1 258年太阳黑子月均数(a)及其频谱(b)Fig 1 An Bwerage Monthly Sunspot Numbers(a)and Amplitude(b)in 258 years

本文数据取自美国的《Solar Geophysical Data》中的太阳黑子数月平均值为黑子长周期的分析资料,时间是1749～2006年,共258年,这段时间的资料比较完整可靠.黑子数随时间的变化关系见图1(a),其频谱见图1(b).可见,最明显的周期是11.0年,其次是10.0年和11.8年,另外还有170年和68年.注意,这里有一个谐频系列:7.1年、14.2年、21.3年、28.4年42.6年和170.7,都是7.1年的倍数.这个7.1年系列从未见报道过,但是,最近Obridko等人根据太阳磁场的数据分析得到过一个约7年的周期[4],而与170年周期相近的179年周期曾被发现[5].

2 黑子的短周期分析

太阳黑子短周期分析的资料取自《Solar Geophysical Data》中1875-2004,共130年的太阳黑子日均数.其频谱分析结果见图2,振幅大于1.5的主要短周期标在图2上图中,分别是: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个周期与行星周期有良好的对应关系.它们是2.30年、2.11年、1.09年、1.04年、1. 00年、0.648年,分别对应于火星和木星的会合周期2.24年、火星和地球的会合周期2. 14年、地球和木星的会合周期1.09年、地球和土星的会合周期1.04年、地球轨道周期1.00年、以及金星和木星的会合周期0.649年.

从下图看出,由于所选资料不同,长周期部分(下图)与图1显示的有点差异,因为图1资料的时间跨度是图2的2倍,图1的结果更具有可靠性.但是,这也反映出黑子周期的时变性,所谓11年周期,是平均而言,实际每个周期的长度都不精确一致,频谱分析给出了所分析的这段时间内各种周期所占的比例.比较而言,图2中的短周期部分(上图)比用黑子数月均值的效果好,原因是短周期的时变性比长周期更明显.

图2 130年太阳黑子日均数的频谱Fig2 An Amplitude and Frequency o f"Sunspot in 130 yea rs

考虑到黑子周期的时变性,用多种方法进行了分段频谱分析,将这130年的黑子数日均值分别分成6段、12段分析,所得结果有较大差异.我们发现:黑子的短周期成分非常复杂,每个周期的相对强度随时间的变化几乎无规律可循,但总趋势是,周期越短的变化越大.

3 黑子周期的外部触发机制讨论

黑子周期的内部机制被公认的是太阳的磁流发电机理论,而外部行星的引力作用被研究了将近150年,至今仍有较大的争论.为了探求行星与太阳黑子间的物理联系,我们利用本文资料和结果初步调查它们间的唯像关系.鉴于上述分析,本文把注意力放在图1的长周期频谱和图2的短周期频谱上.图1中强度较大的三个周期,11.8年、11.0年和10.0年的来源比较明确,11.8年与木星的轨道周期11.86年相近,10.0年与木星和土星的会合半周期9.93相近,而11.0年则与这两个振动合成的振动周期非常接近[2].本文认为,行星对太阳的作用仅是一个受迫振动的外力,根据振动理论,太阳对流层的等离子体振动的振幅除了与外力的大小成正比外,还与外力频率和固有频率的平方差以及阻尼情况有关,只有外力频率满足共振条件时,等离子体振动振幅最大,从而触发黑子的增加.而太阳物质的固有振动波应为驻波,波长和频率是量子化的,因此黑子频谱中会出现一系列谐波周期.将黑子其他周期与行星周期比较,的确发现它们之间有较好的对应.除了68年和8.5年的黑子周期没发现有较好的行星周期对应外,其他都对应很好,其结果列于表1中,表中黑子周期栏中的±号后给出的是频谱分析的精度范围.

表1 太阳黑子周期与行星周期比较Tab1 Com paritive o f Sunspo ts perild s and p lanetany period s

总之,通过本文的分析,我们相信行星的引力作用对太阳黑子的产生确有触发效应,但是其作用方式可能不是唯一的,一种方式是引潮力直接作用在太阳表面,另一种是行星作用下太阳质心产生复杂的周期性运动.但这都是外因,内因是太阳对流层的磁活动.

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

[2]聂清香,张海霞,左庆林,郝娟.太阳活动11周期的形成原因新探[J].自然杂志,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

李爱云(1982-),山东滕州人,枣庄学院物理与电子工程系助教,硕士,主要从事量子光学的相关研究。

[责任编辑:陈庆朋]