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追踪太阳耀斑活动

步骤一: 你将要进行的这项活动是在由其他学生收集的真正的科学数据中,找到影响我们电离层的太阳耀斑活动的踪迹。阅读下面关于太阳如何向地球发射高能射线并影响地球的电离层(在我们头顶上的上层大气)。这项活动没有考试,但只要你知道你在测量什么,它会帮助你理解你的数据。现在来看一部记录有史以来最大太阳耀斑的影片!Green Sun
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背景

由TRACE卫星拍摄的太阳耀斑图片。
由TRACE卫星拍摄的太阳耀斑图片。
图片由NASA提供。

太阳持续不断的喷出一股由X射线以及远紫外线(EUV)组成的辐射流。这股能量以及宇宙射线共同影响着在我们60公里之上的电离层。当太阳的能量或是宇宙射线进入电离层时,电子从原子核分离出来。这个过程称之为电离,所以我们叫它电离层。电离层中的自由电子对无线电信号的传播有很大的影响。那些有着很长波长的无线电波(甚低频或称“VLF”)被这些自由电子“反弹”或是反射回来,因此,方便了我们越过弯曲的地表进行远距离的无线电通讯。接收到的信号强度取决于在电离层有多少自由电子以及这些甚低频信号在电离层的哪一部分发生了“反弹”。

地球的电离层以及甚低频无线电波的反射。
地球的电离层以及甚低频无线电波的反射。
图片由斯坦福大学提供

电离层有好几个位于不同高度有着不同电离程度的亚层组成。每一层都有不同的性质,并且这些不同的电离层在太阳的影响下每天都会发生变化。在白天,电离层被太阳高度电离。在晚上主要影响来源于宇宙射线,因为太阳对电离层没有任何影响(它正在地平线下)。这导致了每天的一个电离循环。

除了每天的波动之外,太阳的活动也能对电离层带来剧烈的影响。太阳能够瞬间爆发太阳耀斑,一个在太阳大气中由磁场活动造成的剧烈爆炸。这些突然的耀斑产生大量的X射线和甚低频能量,并以光速向地球(以及其他行星)传播。

史上记录下的最大太阳耀斑 绿太阳
太阳为什么是绿的?

当太阳耀斑或是其他干扰到达地球时,电离层会突然大量电离,因此改变了电离层的密度和亚层分布。因此我们用“电离层突扰”(SID)来称呼我们观察的现象,并且也是我们空间天气观测仪的昵称,SID。

了解更多关于太阳如何影响地球

了解更多关于电离层

观看更多太阳大耀斑的视频

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步骤二: 试试我们关于如何从SID数据中找到耀斑的例子:
Example 2

在我们的SID数据中找到可能的耀斑或其他活动
斯坦福大学太阳中心的空间天气观测仪 (SIDs)是用来观测由太阳活动造成的地球电离层变化的科学仪器。SID观测仪被放置在世界各地的初中,高中以及大学的教室里 -- 任何人能够得到这些数据。的任务是从我们搜集的SID数据中找到太阳耀斑或是其他令人惊奇的天文活动。大部分数据从来没有被人看过,因此你的观察可能带来真正的发现!

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步骤三: 挑选一个你想要找的耀斑。下面的例子会告诉你如何做:
Example

写下你想要寻找的耀斑的日期和时间。如果你感兴趣,你可以写一份太阳耀斑活动报告给我们!

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步骤四: 在SID数据库中找到你的耀斑。 你所要做的就像我们在上面的例子中寻找2006年12月5日的耀斑一样。
SID 数据库

太阳的SID数据就像地震仪数据一样简单易懂。看一下下面的图片:水平轴代表时间,在这里代表24小时。而垂直轴代表接收到的甚低频无线电波的强度。(这里所测到的绝对数值并不重要,重要的是相对变化) 就像你上面已经学到的,甚低频信号的强度取决于地球电离层的电离度,而又取决于太阳上发生的变化。太阳耀斑,或是其他天文活动在SID图像中呈现高于(有时低于)普通值的尖峰图样。在下图中标注了4次太阳耀斑。

SID data graph showing flares. Colors and labels added for clarity.
呈现耀斑图样的SID数据图。我们加入了颜色与标签帮助你理解。但在真实数据中,你的耀斑不会为你标明!

在已有的数据中找到可能的耀斑是这个活动中最重要的部分。只要你找到了它,剩下的就简单多了。现在,你只要带着你的耀斑的日期与时间,你就可以到SID数据库去查看是否其他监视仪也捕捉到了你的耀斑:

去SID数据库看看

如果SID数据库也显示出你发现的耀斑,你就可以着手写一份最终要发给我们的太阳耀斑报告,并能得到一份小小科学发现的证明!

如果你在SID数据库中找不到对应的耀斑,那可能是因为大多数监视仪的所在地都处于晚上。在耀斑记录中换一个再试试。

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步骤五: 你的耀斑强度是多少?
为了得到答案,你需要回到步骤三重新看一下你所选耀斑的GOES图像。

GOES图像

在网页上方,调整日期时间使它对应于你所挑选的太阳耀斑。然后点击GO GOES按钮。我们的例子对应于2006年12月5日,我们所选耀斑的发生时间。

GOES data browser
点击看大图

在图和表中找到你的耀斑。这页显示2006年12月5日的X射线耀斑是一次X.9.0,一次非常大的耀斑活动!!!

GOES event listing
点击看大图

在你的太阳耀斑报告写下你的耀斑的强度。同时写下“活跃区域”数,那是位于AR#最右边一列的数字。在我们上面的例子中,AR#为930。你的耀斑对应的数字会有所不同。在下一步中你会用到这个数字。

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步骤六: 有了你刚才得到的AR#列的数字,你能够知道你的太阳耀斑来自太阳的那个区域!
现在就查看太阳的所有活跃区域!

找一个与你的耀斑相似的图像。

学习如何使用下面的网页。

追踪你的耀斑在太阳的源头

活跃区域是位于太阳色球层表面有着强大而复杂的磁场并始终处于变化与流动状态。活跃区域总是与 太阳黑子联系在一起。它们最有可能是你发现的太阳耀斑的来源。

Solar active regions
太阳活跃区域

活跃区域被科学家根据它们所在太阳上的位置用连续数标明。如果你找到一个耀斑并且想知道它在太阳上的位置,你需要用到你在上面第五步中得到的AR#数。有了耀斑发生的时间和活跃区域数,你能直接看到在太阳表面耀斑时的样子。

访问http://sohowww.nascom.nasa.gov/sunspots/当天的太阳活跃区域会在上面显示。如果那个圆盘是空白的,那代表当天没有活跃区域。因为你可能会需要查看前一天的图像,点击在页面底部的“List of all available daily images”。它会带你到http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/synoptic/sunspots_earth/

快速找到与你的耀斑日期最接近的那张表。点击那个连接你会看到当时太阳活跃区域的图像。下面是一个例子。

Example of a picture of the Sun with active regions labeled.
标明了太阳活跃区域的的图片例子。
图片来源于在SOHO飞船上的MDI观测仪

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步骤七: 你的太阳耀斑活跃区域是否是从太阳背面旋转过来的?
背面的图片

阅读下面的材料学习如何检验。

了解你的耀斑对应的活跃区域的历史

展示你的耀斑活跃区域的网页开始,你可以追踪你的耀斑活跃区域的历史。太阳和地球一样在不停的自转。太阳的赤道自转一圈需要大约27天。你的耀斑活跃区域经常来自太阳的背面(太阳被人为分为正反两面)。查看不同的图片来看一下该区域第一次出现在图片左边时的样子。有些时候你能够观察到该活跃区域的形成。然而,如果你发现它在太阳东部(左边)的边缘,你可以查看太阳背面,或称为远端的图像。你能在下面网址找到图片:http://soi.stanford.edu/data/full_farside/

你需要花一点时间来理解如何读懂这些图片,不过网页会给你一些帮助。并且当你发现你的活跃区域第一次出现在太阳背面是上面的努力是值得的!

下面是一张太阳远端的照片,显示出面对地球的那一面(“近端”)以及远离地球的一面(“远端”)。在远端的红色和黄色的点表明一个在太阳背面的太阳黑子,或是活跃区域的存在!

Image of the Sun, including side facing Earth and side away from Earth.

如果你觉得这张图看着不舒服,你可以看一下地球的类似的图片。点击下面的图片来观赏地球上白天和黑夜是如何变化的。太阳的照片是通过类似的处理后得到的,只是太阳的背面不像地球背面那么黑!

Mercatur projection of Earth showing day and night
点击观看视频

地球图片来自于美国海军。视频和太阳的远端图来自斯坦福大学的菲利普*舒尔(Philip Scherrer)。

如果你发现你的活跃区域出现在某张太阳的远端照片,在你的太阳耀斑报告上写下那张图片的拍摄日期。如果你在图片上找不到对应的区域出现,不要慌张。有时候它们确实可能不出现在图片上。

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步骤八:提交你的太阳耀斑报告
如果你认为你在SID数据中发现了一个太阳耀斑或是其他有趣的事件 ,
提交报告给我们!

每个寄送报告给我们的人(或是一个有效的Email地址)都会收到一份证书证明你在世界太空周的太阳耀斑发现。

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没发现的耀斑?

有些时候一个耀斑会出现在GOES的数据图中但却不在耀斑列表中。GOES数据都是手工处理的,因此经常有耀斑不小心被忽略,或是因为其他的原因没有被包括在列表内。如果你在SID数据中发现了耀斑图样,并且它也在GOES的图样中出现,但它们却没有出现在列表中,那么可能你就发现了一个由于工作人员疏忽而遗失的耀斑。我们非常希望得到这样的消息!请提交一份太阳耀斑报告 并在备注部分提一下你的耀斑没有出现在GOES的列表中。

记住GOES的数据来自GOES卫星直接从太阳接收到的辐射。而你的SID观测仪是通过监测地球电离层受到太阳耀斑的影响发生的变化。所以尽管你们的观察对象不同,但他们都来源于相同的现象。

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