关于辐照度下降与太阳带电量之间内在关系的研究

JournalofNanchangUniversity(NaturalScience)Vol.23No.3Sept.1999

关于辐照度下降与太阳带电量之间

内在关系的研究

陈福生　　　　　　　　　　蒋世仰　

(南昌大学物理学系　南昌　330047)　(中国科学院北京天文台　北京　100021)

摘　要　从Kerr-Newman度规理论及相对论统计物理理论证明了太阳活动区的电荷量的增加,能使太阳表面有效温度降低,由于太阳辐射能量主要集中在可见光波段,从而使太阳所带电荷量直接同太阳总辐射之间存在着深刻的内在物理联系。据计算,如果太阳电荷量增至4×1028q,就能使太阳表面温度降低2K,这相当于太阳常数减小011%,因此,由于太阳活动引起电荷量的增加就能解释太阳活动与太阳常数日变化之间呈负相关的关系。关键词　太阳,带电量,表面温度,太阳常数,辐照度分类号　P142引　言

根据太阳峰年使命卫星(SMM)及雨云7号(Nimbus7)的辐照度记录,测量到在一个天文单位距离处,太阳总辐照度在几天和几星期的时间内会有百分之0101到011量级的短期下降,最近根据云南天文台吴铭蟾研究员的观测,太阳辐照度短期大降幅可达0124%,这种辐照

1〕

度的减小与黑子投影面积,200MHz辐射流量以及苏黎世黑子数都有较好的负相关〔,相关

系数分别为-0.73,-0.56和-0.36。这一结果反映出太阳活动区某些物理特性同太阳总辐射之间存在着某种内在的物理联系。因此,太阳活动是引起这种负相关的主要原因,为此本文引用文献〔3〕的一些结果。根据Kerr-Newman度规

2

∏E22ρ∧E∑E22

dS=2cdt-dr2-ρdθ-2sin2θdφ2+22asin2θcdtdφΔEρρρ2

(1)

其中

∏E=r2-2rRg+a2cos2θ+kQ2ΔE=r2-2rRg+a2+kQ2∧E=(r2+a2)2-ΔEa2sin2θ∑E=2Rgr-kQ2

2ρ=r2+a2cos2θ

(2)

Rg=

收稿日期:1999-02-12

第一作者:男,1935年生,教授

GM2c

(3)

第3期陈福生等:关于辐照度下降与太阳带电量之间内在关系的研究・227・

k=

8πGc4

(4)(5)

a=J/Mc

M是天体质量,G是万有引力常数,Q是天体所带电荷,J是天体所带角动量,c为光速,a是

与天体转动有关的物理量,k为相对论引力常数。

按相对论统计物理,旋转带电天体在自身所产生的引力场下为要达到温度的稳定分布,要求Tg00这个量在整个天体内恒定〔2〕,即

T

g00=const.

kQ)2Rg(r-2Rgr2+a2cos2θ22

(6)

其中g00为度规张量的时间分量,从(1)式及(2)式知度规张量的时间分量为

r2-2rRg+a2cos2θ+kQ2

g00==1-r2+a2cos2θ

=1-2Rg(r-rn)

r2+a2cos2θ(7)

其中

kQrn=2Rg

(8)

把(7)式代入(6)式得到天体表面温度T与天体带电量,自转角速度之间的关系式:

1(9)T=const.×2Rg(R-rn)1-222

R+acosθ

π

θ为太阳表面点的余纬。如果我们只讨论赤道上的温度(θ=),或自转角速R为天体半径。

2

度不大的情况下,(9)式可简化为〔3,4〕

1(10)T=const.×()2RgR-rn1-2

R

公式(10)代表着天体带电量对表面温度的影响,简称电荷效应,可作为一个可通过观测来检验的广义相对论效应。从(10)式及(8)式可以看出,当天体所带电荷增加时(rn增大)表面温度T会降低,因而直接影响太阳辐射能量,对地球来说,太阳常数会有微弱减小。本文将应用此公式进行数值计算,算出为了使太阳常数减小011%,带电量需增加到多大?此时太阳表面温度会降低多少?计算结果可以很好说明太阳活动与太阳常数日变化之间成负相关的关系。

1　太阳表面温度与太阳常数之间的直接关系

从公式(10)看出,由于太阳活动,太阳带电量的增加必引起表面温度下降,而这必直接影响到地球,使太阳常数要减小,根据现代测量,不排斥太阳常数有小于1%的变化。现在我们来计算一下,如果太阳常数有011%的减小,从日地能量直接耦合观点来看,太阳表面温度应下降多少?取太阳常数b=136812W/m2,由于1尔格/s=10-7W,可换算为b=1.3682×106尔格/(cm2・s),取日地平均距离r=1.49597870×1011m,太阳半径R=6.96265×108m,则根据热辐射的热力学理论有公式

T=

4

r2)σR(

b(11)

・228・南昌大学学报(理科版)1999年

其中σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数

σ=5.6686×10-5尔格・cm-2・s-1・K-4

把这些数值代入(11)式,可算出b=1.3682×106尔格/(cm2・s)时所对应的太阳表面温度T1=5778K。若太阳常数减小百分之011,即b=1.3668×106尔格/(cm2・s),这时太阳温度T2

为5776K。

结论:太阳常数b减小011%时,对应太阳表面温度下降2K,原为5778K,要下降到5776K,这应该是由于太阳活动造成带电量增加所引起的,可以计算出此时太阳所带电量应为多少。

2　太阳带电量变化对地球影响

对于太阳,自转角速度对温度影响极小〔5〕,此时(10)式成立,将(10)式用到太阳,以研究日地关系。设由于太阳活动出现,太阳电荷量增加到Q,此时表面温度减小到Tn;而当电荷量小时,它对温度影响极小,可以忽略,此时温度记为T0,则根据(10)式有

Tn=T0

1-1-2RgR

2RgR+

2RgR2

(12)

rn

根据上节计算,当太阳常数b=1.3682×106尔格/(cm2・s)时,对应太阳表面温度为5778K,记为T0;若由于太阳活动,带电量增加,根据(10)式,此时表面温度要下降,这直接使太阳常数减小,设减小011%,这相当于表面温度下降2K,即5776K,记为Tn,则太阳带电量可按(12)式计算,为此引进符号

2Rg(13)A=1-R

B=

2RgR

2

(14)

代入(12)式可求出rn的公式

A〔1-(rn=

Tn2

)〕T0(15)

Tn2

)B(T0

对太阳,质量M=1.91×1030kg;太阳半径为R=6.96265×108m;而G=6.6720×10-11m3/(s2・kg);c=3×108m/s;代入(3)式及(13),(14)式可求得

Rg=

GM103m2=1.474586×c

2RgRA=1-B=

=0.00000422RgR

(16)(17)(18)

=0.9999958

2RgR

2

=6.03218×10-15

第3期陈福生等:关于辐照度下降与太阳带电量之间内在关系的研究・229・

把(17),(18)代入(15)计算,得

rn=1.148238×10

11

(19)

代入(8)式计算,并考虑及(4)式,得

2Rg2

Q=rn=16.35762×1056

k

　　∴　Q=4×1028q

结论:当太阳带电量增到4×1028q时,能使太阳常数降低011%。

3　相关系数的解释

目前观测到的黑子投影面积与太阳常数短期变化的负相关,并非百分之百的负相关,相关系数只有-0.73,我们认为其原因是没有考虑到日面背面,当我们观测到日面(经度跨度为

)上无大黑子群时,日面背面会有一定的可能性出现大黑子群的活动区,此时如果就整个180°

太阳表面(包括正面与背面)来说,总的黑子投影面积很大,太阳常数仍然会出现短暂下降。同样,如果观测到的日面正面有一些大黑子群,但日面背面没有大黑子群,整个日面(包括正面与背面)总的黑子投影面积并不大,此时太阳常数有可能不出现短时下降或下降很小,这样就解释了目前观测到的相关系数并非百分之百的原因。如果能对日面的正面与背面同时进行观测,则黑子投影面积与太阳常数短期变化应该呈现出接近百分之百的负相关。

4　太阳上空间电荷的观测方法

从空间电动力学理论分析,太阳上一定存在空间电荷,从太阳活动区有磁场分布,可推出有电流存在,而次级电荷正是由导电电流引起的,例如电导率的空间分布不均匀,就会出现空间电荷,这可证明如下:

在没有电流源的区域,由电流守恒的要求,使得电导率的不均匀产生电场散度,从电动力学方程

ε󰃝j=0　　j=σE　　0󰃝E=Q出发,可推得

ε0󰃝σσE・

其中Q即天体所带电荷,由上式可知,当电导率σ不均匀时,󰃝σ≠0,就会出现空间电荷Q,对地球来说,全球地面电荷总计约有2×105q,且具有日变化和年变化。对太阳来说,绝大部分物质是高温等离子体,但仍然能在大尺度上存在极化电荷,其原因往往是由于磁场的捕获,粒子的漂移以及等离子体介质的对流所维持。当日面上出现带有复杂结构且迅速发展的大黑子群时,就会有强磁场出现,由于强磁场的捕获,粒子的漂移以及等离子体介质的对流,就使得太阳活动区电荷积累大大增加,表面温度下降,从而造成太阳常数的短期下降。

我们从理论上提出对空间电荷作观测分析的几种可能方案:

1)由于静电场散度是由电荷产生的,所以只要观测到太阳大气垂直电场随高度的减小,就表明存在空间电荷,这些空间电荷分布可用库仓定律求出

5EZQ=ε

5Z

Q=-

・230・南昌大学学报(理科版)1999年

ε为介质介电常数,若介质电场强度大小随高度减小

Ez=-E0exp(-αZ)

求得空间电荷

Q=Q0exp(-αZ)

αE0。其中Q0=ε

2)观测电导率随高度变化,从公式

Q=j

εdσ2

dZσ

可求出空间电荷Q。

3)观测电场E和电流j随时间变化的曲线,可判断在所测点附近有无空间电荷云飘过。

当E和j变化同相时,说明有空间电荷云通过,若E,j同相增大,为正电荷;若同相减小,则为负电荷。

5　讨论与结式(10)确立了太阳活动区的带电量特性与太阳热辐射之间存在着的内在物理联系,因而有可能利用它来研究以天为尺度的短期太阳一地球关系。当太阳活动出现时,带电量增加,

根据(10)式,太阳视亮度会适当减小,太阳常数随着总辐射能量的减小而减小,由此使地面气温适量下降或引起其他气象要素的改变。由上面计算看出,假设太阳在平静状态时,表面温度为5778K,对应太阳常数为113682×106尔格/(cm2・s),现由于太阳活动,带电量增大到4×1028q,此时太阳表面温度按(10)式应下降2K,即5776K,对应的太阳常数应下降011%,即b=1.3668×106尔格/(cm2・s),根据目前观测指出,太阳常数会有0101%到0124%的短暂减

小,当太阳圆面上出现带有复杂结构的且迅速发展的黑子群时,太阳常数值减小,而当具有简单结构的老的黑子群占优势时,太阳常数会微小增加,或者说这些老黑子群会补偿“活动”黑子群对太阳常数的影响。根据Pap的观点〔1〕,这种太阳常数的短暂下降,可能与活动区的年龄、发展状态及磁结构有关,似乎具有复杂结构且迅速发展的磁场出现,能制止对流或减小它的效率,而具有简单结构的老活动区磁场也许能使更高的能量传输到光球。我们的观点认为太阳活动必会引起带电量增加,根据公式(10),太阳表面有效温度就会降低,因而可以比较解释太阳活动与太阳常数日变化之间的负相关关系。

参

考

文

献

〔1〕　PapJ.ActivityofSunspotsandSolarConstantVariationsDuring1980.SolarPhysics,1985,97:21～33〔2〕　LandauLDandLifshitzEM.StatisticalPhysics(3rdEdition,Part1).PergamonPress,1980.77～78〔3〕　陈福生1旋转带电天体的某些热力学性质的研究1天体物理学报,1984(4):158～165

〔4〕　ChenFusheng.SurfaceTemperatureofaRotatingChargedBody.ChinAstronAstrophys.PrintedinGreat

Britain,1984(8):286～2

〔5〕　ChenFushengandJiangShiyang.TheEffectoftheSolarElectricChargeontheSolarIrradiance.Printedin

Singapore,21CCAC,ProceedingPaper,HongKong,1997.434～437

第3期陈福生等:关于辐照度下降与太阳带电量之间内在关系的研究・231・

ONSTUDYOFTHEINTERNALCONNECTIONBETWEENIRRADIANCEDIPSANDSOLARELECTRICCHARGE

ChenFusheng

(DepartmentofPhysics,NanchangUniversity,Nanchang,330047)

JiangShiyang

(BeijingAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Beijing,100021)

Abstract　IthasbeenshownbythetheoryofKerr-Newmanmetricandrelativestatisticsthatthedecreasesofsolarsurfacetemperaturecanbecausedbytheincreaseofelectricchargeofsolaractiveregions.Sincethesolarradiantenergyisconcentratedmainlyonthewavebandofvisiblelight,sotheelectricchargeofactiveregionsmaintaincloseinternalrelationswiththetotalsolarradiation.Onthebasisofourinvestigations,ifthesolarelectricchargehasincreasedto4×1028Coulomb,solarsurfacetemperaturewillreduceby2K,whichcorrespondto0.1%downwardtrendinthe1AUtotalsolarirradiance.Therefore,theincreaseofelectricchargecausedbysolaractivecanbeusedtoexplainthestronginversecorrelationbetweentheirradiancedipsobservedbytheSMM/ACRIMradiometerandtheprojectedareasoftheactivesunspots.Keywords　solar,electriccharge,surfacetemperature,solarconstant,irradiance

(上接第225页)

THEMODELANDITSREDUCTIONOFCOMPREHENSIVE

SURVEYINGEVALUATIONFORSTUDENTS

———AnApplicationofRoughSetTheory

WangQianying　LuQiang

(DepartmentofMathematics,NanchangUniversity,Nanchang,330047)

Abstract　Basedonroughsettheory,thispaperdescribestheinformationsystemanditspropertyreduction,familyreducation,core,decisionrule,etc.Itcreatesthemodelofcomprehensivesurvey2ingevaluationforstudents.Accordingtothetheory,wedevelopasoftsystemforcomprehensivesurveyingevaluationofstudentswiththemodelanditsreductionalgorithm.Keywords　roughset,decisiontable,managementinformationsystem