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太阳发电机

提示：此条目页的主题不是太阳能发电或太阳能电池。

太阳发电机（英语：Solar dynamo）是太阳产生磁场的物理过程，它是用发电机理论的变体来解释。太阳内部自然产生的发电机产生电流和磁场，遵循安培、法拉第和欧姆以及流体动力学定律，这些定律共同构成了磁流体动力学定律。太阳能发电机的详细机制尚不清楚，是当前研究的主题[1]。

机制

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发电机将动能转换成电磁能。一个导电的流体具有剪切或更复杂运动，如湍流，可通过楞次定律暂时放大磁场：流体相对于磁场的运动会在流体中产生电流，从而扭曲初始磁场。如果流体运动足够复杂，它可以维持自己的磁场，辅助流体放大基本上平衡了扩散或欧姆衰减。这种系统被称为自我维持发电机。太阳是一个自我维持的发电机，它将太阳内部的对流运动和差异自转转化为电磁能。

目前，假设差旋层的几何结构和宽度在太阳能发电机模型中起着重要作用，通过缠绕将较弱的极向（英语：Toroidal and poloidal coordinates）和环形场（英语：Toroidal and poloidal coordinates）场。然而，最近对较冷的恒星和棕矮星的电波观测表明，尽管没有恒星核心和差旋层，只有对流层，但它们维持着大规模的太阳强度磁场，并显示出类似太阳的活动。这表明，仅仅只要有对流层，就有太阳发电机的功能[2]。

太阳周期

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主条目：太阳周期

太阳磁场最显著的时间变化与准周期为11年的太阳周期有关，其特征是太阳黑子数量和大小的新增和减少[3][4]。太阳黑子是太阳光球上可见的暗斑，与磁场的浓度相对应。在一个典型的太阳极小期，很少或根本看不到太阳黑子。然后，黑子出现在太阳高纬度的地方，并随着太阳周期向极大值推进，遵循史波勒定律，太阳黑子倾向于在更靠近太阳赤道的地方形成。

11年的太阳黑子周期是22年的巴布科-莱顿太阳发电机周期的一半，这相当于环形和极向（英语：Toroidal and poloidal）太阳磁场之间的能量振荡交换。在太阳周期最大时，外部极向偶极磁场接近其发电机循环的最小强度，但通过差旋层内的差异旋转产生的内部环形四极磁场接近其最大强度。在发电机周期的这一点上，对流层内的浮力上升流，迫使环形磁场通过光球层浮现，从而产生成对的太阳黑子，大致呈东西向排列，但磁场极性相反。太阳黑子对的磁极性在每个太阳周期都会发生变化，这种现象被称为海尔周期[5][6]。

在太阳周期的下降阶段，能量从内部环形磁场转移到外部极向磁场时，太阳黑子的数量减少。在太阳活动极小期，环形场的强度相对最小，太阳黑子相对较少，极向场的强度最大。在下一个周期中，差异旋转将磁能从极向场转换回环形场，其极性与上一个周期相反。这个过程持续不断，在一个理想化的简化场景中，每11年的太阳黑子周期对应于太阳大尺度磁场的极性变化[6][7][8]。太阳活动的长极小值可能与太阳磁场的双发电机波之间的相互作用有关，这是由波干扰的拍频效应引起的[9]。

研究

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太阳发电机的详细机制仍不清楚，并且仍是目前研究的主题[1]。

相关条目

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参考资料

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  1. ^ 1.0 1.1 Tobias, S. M. Thompson, J. M. T. , 编. The solar dynamo. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2002-12-15, 360 (1801): 2741–2756 [2022-04-12]. Bibcode:2002RSPTA.360.2741T. ISSN 1364-503X. PMID 12626264. doi:10.1098/rsta.2002.1090. （原始内容存档于2022-04-15） （英语）. 
  2. ^ Route, Matthew. THE DISCOVERY OF SOLAR-LIKE ACTIVITY CYCLES BEYOND THE END OF THE MAIN SEQUENCE?. The Astrophysical Journal. 2016-10-13, 830 (2): L27 [2022-04-12]. Bibcode:2016ApJ...830L..27R. ISSN 2041-8213. arXiv:1609.07761  . doi:10.3847/2041-8205/830/2/L27. （原始内容存档于2021-01-08）. 
  3. ^ Charbonneau, Paul. Solar Dynamo Theory. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2014-08-18, 52 (1): 251–290 [2022-04-12]. Bibcode:2014ARA&A..52..251C. ISSN 0066-4146. doi:10.1146/annurev-astro-081913-040012. （原始内容存档于2022-04-15） （英语）. 
  4. ^ Zirker, J. B. Journey from the Center of the Sun. Princeton University Press. 2002: 119–120. ISBN 978-0-691-05781-1. 
  5. ^ Hale, George E.; Ellerman, Ferdinand; Nicholson, S. B.; Joy, A. H. The Magnetic Polarity of Sun-Spots. The Astrophysical Journal. 1919-04, 49: 153 [2022-04-12]. Bibcode:1919ApJ....49..153H. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/142452. （原始内容存档于2019-07-02） （英语）. 
  6. ^ 6.0 6.1 NASA Satellites Capture Start of New Solar Cycle. PhysOrg. 4 January 2008 [10 July 2009]. （原始内容存档于2008-04-06）. 
  7. ^ Sun flips magnetic field. CNN. 16 February 2001 [11 July 2009]. （原始内容存档于2005-11-15）. 
  8. ^ Phillips, T. The Sun Does a Flip. NASA. 15 February 2001 [11 July 2009]. （原始内容存档于2021-06-24）. 
  9. ^ Zharkova, V. V.; Shepherd, S. J.; Popova, E.; Zharkov, S. I. Heartbeat of the Sun from Principal Component Analysis and prediction of solar activity on a millenium timescale. Scientific Reports. 2015-12, 5 (1): 15689 [2022-04-12]. ISSN 2045-2322. PMC 4625153  . PMID 26511513. doi:10.1038/srep15689. （原始内容存档于2022-05-12） （英语）. 
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