天文学家如何为黑子计数

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-03-12 22:31:23 | 作者:Melipal 译 | 来源:Sky & Telescope | 浏览:1392次 ]

原文标题:How Astronomers Count Sunspots

作者:Monica Bobra   原文来自:SkyandTelescope.com   Posted: 2016. 2. 14

编译:Melipal     审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

一项持续多年的研究表明,我们对太阳的认识有误。

1847年,在瑞士伯尔尼一座小型天文台里一个名叫鲁道夫·沃尔夫(Rudolf Wolf)的人开始计数太阳黑子。他孜孜不倦地工作,只要可能,每天都使用一架望远镜观天,并将所见的太阳黑子数量记录下来。后来他好奇于太阳黑子的数量随时间的变化,就汇总了1700年之后他能找到的一切黑子数据。

它成了史上最重要的记录之一。

如今,所有的模型都要使用这一记录来预言气候、卫星轨道以及电网稳定性等问题与我共事的一名太阳物理学家说,在当代社会,太阳黑子的数量是道琼斯产业平均指数之外最为人依赖的数字了。

2012年7月7日,一个编号为1520号活动区的黑子群从太阳左侧转入了视野。其中的大型黑子覆盖的宽度超过了地球的11倍。上图是由天文爱好者艾伦·弗里德曼(Alan Friedman)在7月10日拍摄的。(图片提供:Alan Friedman / Flickr

沃尔夫的记录被称作国际太阳黑子数。大本营设在比利时皇家天文台的太阳黑子数与长期太阳观测(SILSO)小组至今继续计算着这个参数。但是去年夏天,SILSO公布了一份全新的黑子记录,并由此打破了一个持续150年的传统。

为了查明个中原因,让我们从头开始。

观测黑子

在沃尔夫开始计数黑子的时候,他知道使用同一架望远镜观测的两个人可能会看到两个不同的东西。人眼的视力毕竟不是完全自洽的工具。因此他有了一个想法,不仅仅要为黑子,而且还要为黑子群计数。黑子经常会集簇分布成黑子群。他指出,黑子群的记录可以给出太阳更为精确的描述,原因是25个黑子可以是25个分布在日面各处的小黑子,也可能是一个巨型黑子群中的25个成员。因此他提出了这样一个公式:

黑子数 = k (10G + s)

式中的G是黑子群的数量,s是单个黑子的数量(指所有黑子,包括黑子群的成员),而k是每个观测者自身的一个参数,与其视力良好程度有关。

最后沃尔夫从伯尔尼搬到了苏黎世天文台,并在那里将黑子计数的方法教授给了新一代观测者。1981年,SILSO正式开始负责黑子数的计算。

时间快进到了1998年。当时两名太阳物理学家道格拉斯·霍伊特(Douglas Hoyt)与肯尼思·沙登(Kenneth Schatten)使用世界各地天文台的历史数据,给出了自己的黑子计数方法。人们知道,沃尔夫的黑子数量记录是存在空窗期的(早至1873年它就因此遭到了批评),有几年只拥有两天的观测记录。霍伊特和沙登希望,他们所有的额外数据可以给出一个更为健全,且误差较小的指数。但是霍伊特和沙登的结果与沃尔夫相去甚远。更进一步,就何种方法正确,太阳物理学界的意见分成了两派,让争论火上浇油。

考虑这种情况,由我的同事列夫·斯瓦尔加德(Leif Svalgaard)领导的一个太阳物理小组决定合力尝试解决这个问题。2011年,他们召开了4场太阳黑子数研讨会中的第一场(最后一场召开于2014年)。在此期间,他们发现两方都错了。

鞋底式调查

他们发现的一件事是,苏黎世天文台的太阳黑子指数存在一个奇怪之处:1947年,它发生了幅度约为20%的跳变。出于好奇,他们搜寻了知晓在此期间苏黎世天文台发生情况的人。最后,他们在讲意大利语的小镇洛卡诺(Locarno)附近发现了一条线索。

他们在那里找到了塞尔吉奥·科特西(Sergio Cortesi)。科特西至今仍在一座名为提西诺太阳观测台(Specola Solare Ticinese)的小型天文台中计数黑子。科特西知道,20世纪40年代的苏黎世天文台台长马克斯·瓦尔德迈耶(Max Waldmeier)开始对大型黑子乘以5。更恶劣的是,瓦尔德迈耶并没有对老数据进行重新校正。这一变化在时间轴上向前传播开去。

但是这只能解释两种黑子数序列中诸多的矛盾之一。

这张数据图比较了1749年到2013年间沃尔夫(SN)和霍伊特-沙登(GN)太阳黑子数的原始版本以及修正版。虚线联结起了18与20世纪的最高太阳峰年计数,不同的颜色表示相应的黑子计数方法。对于原始太阳黑子指数而言,计数表明,太阳活动在过去的2个半世纪以来有所增强。但是修正后的版本表明,太阳活动实际上变化有限。(图片提供:Frédéric Clette et al. / Space Science Reviews 2014)

比较黑子记录中存在很多问题。这些记录是参差不齐的。随着时间的推移,人眼会老化。设在不同地点的不同台站有着不同的视宁度。而不同的人对太阳黑子实际的定义有所不同。现在使用太阳动力学观测台这样的空间望远镜以及图像处理工具,我们可以精确地定义何为太阳黑子。但是当时是不可能具备这样的条件的。

然而比较同期记录是可行的。同时观测的不同台站应该看到同样的东西。举例来说,如果某地的某天文台看到的黑子数量一直都比座落在另一处的天文台更少,那么我们可以将第一组计数乘以一个因子,让它与第二组记录相符。霍伊特与沙登正是这样做的:他们将所有的历史指数都根据英国格林尼治皇家天文台的记录进行了校准。但是太阳黑子数研讨会小组发现了格林尼治记录中的缺陷:太阳黑子数量(s)与黑子群数量(G)之间的比例在1875年到1915年间存在可疑的增长,后来又再度保持不变。这一点就让霍伊特和沙登的整个分析变得不可靠。

瓦尔德迈耶跳变以及皇家天文台漂移是太阳黑子数研讨会小组多项重要发现中的两个。他们还发现了其他不准确的地方,并都对其进行了修正。根据小组的说法,新的SILSO太阳黑子数据在1750年之后是相当可靠的。它们也与对太阳活动的其他测量吻合得很好。

黑子指数不仅仅是保留良好记录的问题,它对太阳研究有着直接影响。举例来说,这些修正工作带来的一个启示是,与太阳物理学家过去所认为的不同,自18世纪初以来,太阳活动相对保持稳定。这转而影响了我们对太阳影响自身天气与地球气候的认识。

这是一项了不起的调查,但尚未完结。更且并非人人赞同新的指数。因为新的指数明确认为太阳随时间推移日渐炽热的观点是错误的,一些研究气候变化的科学家反对它,他们将全球变暖归结为更炽热的太阳。如果要让所有人同意某个太阳黑子指数的定义,我们需要花费时间,还有更多的几次辩论。因此我们最好盯住数百年前留下的古老手书记录册。它们可能会帮助我们查明太阳明天会如何表现。

参考文献
弗雷德里克·克莱特(Frédéric Clette)等人,《重新考察太阳黑子数:太阳活动周期的400年视角》,《空间科学评论》,第186卷,第1-4期,第35-103页。
弗雷德里克·克莱特等人,《修订太阳黑子数:》,《空间天气》,第13卷,第9期。
弗雷德里克·克莱特等人,《修订布鲁塞尔-洛卡诺太阳黑子(1981-2005)》,2015年7月28日发表于arXiv.org网站。
道格拉斯·V·霍伊特与肯尼思·H·沙登,《黑子群数:新的太阳活动重构》,《太阳物理》,第179卷,第1期,第189-219页。
道格拉斯·V·霍伊特与肯尼思·H·沙登,《太阳在气候变化中扮演的角色》,牛津大学出版社,1997年。

(全文完)

Tags:黑子数

责任编辑:Melipal

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