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蝴蝶图

1904年,英国天文学家爱德华·蒙德通过对太阳黑子周期变化的记录,绘制出了展现太阳黑子分布的图表,这些图表呈现出了类似凤蝶总科的形态。蒙德使用纬度作为纵坐标,时间(年份)作为横坐标,描绘了太阳黑子的分布情况,发现在逐渐接近赤道的区域,太阳黑子的分布如同蝴蝶的双翼。当多个太阳黑子周期的数据被组合起来时,形成了连续的“蝴蝶”图像。

历史背景

早在1840年代,德国的一位业余天文学家就已经发现了太阳黑子具有10至11年的周期性变化。随着时间的推移,人们通过持续的观测发现,太阳黑子不仅在日面上的活动表现出周期性的变化,而且它们的纬度分布也遵循一定的规律。

发现过程

最初,几乎所有黑子都集中在±30°的纬度范围内。随着太阳活动的增强,黑子通常会出现在±15°的位置,并逐渐向更低纬度的地区迁移,最终在±8°左右消失。在一个周期结束之前,新的周期已经开始,新出现的黑子再次聚集在±30°的纬度附近。1853年,英国天文爱好者卡林顿决定通过观察太阳黑子来精确测定太阳自转周期。他在自己的私人天文台上日夜不停地进行观测,并详细记录下黑子的数量及其在日面上的位置。经过多年的努力,卡林顿发现太阳黑子在日面上的自转速度因纬度不同而有所差异。在赤道附近的黑子只需25天就能绕日面自转一周,而在纬度45°的黑子则需要27.5天才完成一次自转。这一发现有力地驳斥了一些天文学家提出的太阳是固体的观点。与此同时,德国的斯玻勒也在1860年注意到,每一个黑子周期开始时,最早出现的黑子总是位于远离赤道的区域(平均纬度约为35°)随后,黑子的出现位置逐渐靠近太阳赤道,在纬度10°至25°之间的区域最为常见。到了周期末期,所有黑子都会集中在南北纬度约5°的区域。1894年,斯玻勒在综合了大量的黑子观测数据后,提出了著名的“斯玻勒定律”,揭示了黑子在日面上的纬度分布规律。这条定律表明,大多数黑子出现在日面纬度+8°至+45°和-8°至-45°的区域内,而在其他纬度区域则较少见到黑子。每个黑子周期(约11年)开始时,黑子主要出现在±30°的纬度;峰值时期(称为太阳活动峰年)则在±15°出现;周期结束时通常在±8°处消失。值得注意的是,前一个周期的黑子尚未完全消退时,新的周期可能已经在±30°的纬度重新开始了。为了表彰卡林顿和斯玻勒对天文学的卓越贡献,科学界将太阳自转周期命名为“卡林顿周期”,其平均值为27.2725天。而提及日面黑子分布规律时,则普遍称之为“斯玻勒定律”。

研究与发展

英国天文学家蒙德根据斯玻勒定律,利用太阳黑子群的平均日面纬度和时间(年份),绘制出了黑子分布图,这张图形如凤蝶总科,因此被太阳物理学家们称为“蝴蝶图”。这种现象显示了太阳黑子数目的多寡及其在日面上的分布,存在着一个大约11年的周期性变化规律。如果采用黑子的纬度作为纵坐标,时间作为横坐标,所绘制的黑子分布图非常类似于蝴蝶的形象,因此也被称作“蝴蝶图”。1904年由芒得(W. W. Maunder)首次提出并命名,故又称“芒得蝴蝶图”(Maunder butterfly diagram)。尽管众多学者对蝴蝶图的意义进行了深入的研究,但至今仍未达成一致的解释。

参考资料