寻找太阳较差自转参数-公开取用电子书.PDF

臺北市立天文科學教育館 95 年度教育人員研究報告 尋找太陽較差自轉參數 一個適合高中生學習太陽性質的簡易實驗設計 第一組 助理研究員 張桂蘭 摘要 不像地球的表面幾乎都是固體，太陽是顆大電漿球，換句話說，是由許多帶 電的氣體與液體所組成的流體，因此這顆電漿球的轉動方式，與一般固體的球不 盡相同，各處的轉動角速度不會相同。如果以 ω 代表太陽自轉的角速度，以 φ 2 4 代表太陽的緯度，有人認為這兩者之間存在一個關係：ω=a+bsin φ+csin φ ，其中 a 、b 、c 者是從觀測資料整理出的常數，以「度/天」為單位；通常 a 代表赤道的 自轉角速度，而 b 與 c 則是各緯度自轉角速度的差異程度。本報告即是設計一套 適合高中以上學生自學的實驗流程，可利用臺北天文館之太陽黑子觀測資料，找 出 a 、b 、c 等參數，與歷來之研究比較，並藉以瞭解太陽表面的流體性質。 大綱 一、前言 二、太陽較差自轉研究的歷史背景 三、實驗與分析過程 1. 應用軟體下載 2. 挑選可供分析的黑子群 3. 計算黑子座標資料 4. 得出單筆黑子群的相對經度數值 5. 計算黑子移動角速率 6. 不同緯度黑子群的角速度 7. 角速度與緯度的關係 四、結果與討論 五、誤差來源 六、結語 一、前言 太陽是個很有趣的天體，近在咫尺，似乎一切都攤在眾人眼下，然而卻又充 滿各種謎團，等待人們一一發覺。而太陽這顆中庸的恆星，代表的是一般恆星的 型態，如果可以瞭解太陽，便可將對太陽的認識推展到其他恆星上，讓 人們對其 他天體、甚至是整個宇宙的瞭解，都能更深入 。 太陽會不會自轉 ？這個常聽見的問題 ，答案當然是肯定的；可是又出乎意料 之外的，太陽表面的自轉方式，與人們熟悉的籃球、蘋果或地球等固體不同—太 陽是顆大電漿球，換句話說，是由許多帶電的氣體與液體所組成的流體，因此這 顆電漿球的轉動方式，與一般固體的球不盡相同，各處的轉動角速度不會相同。 那麼 ，究竟太陽的轉動有無什麼樣的規律呢？這篇報告所設計的簡易實驗方 式，目的就在於可以利用臺北天文館固有的太陽黑子觀測資料，以及可免費取得 的簡易天文軟體，帶領高中以上的學生一起探究太陽自轉的奧妙 。 二、太陽較差自轉的研究歷史背景 1609-1611 年，義大利的伽利略 （Galileo Galilei ）、荷蘭的哥爾史密德 （Johann Goldsmid ）、德國的 施蓋納（Christopher Scheiner ）及英國的哈瑞特（ Thomas Harriot ）等人首度用望遠鏡觀 察太陽，並於 1613 年發現太陽黑子的存在，認為 是太陽表面的現象 ，而非水星凌日或其他行星凌日的現象 。 1613 年，伽利略出版 「Istoria e Dimostrazioni intorno alle Macchie Solari 」一 書 ，首度公開太陽黑子的描圖 ，已可看到本影和半影的區別 ，他在書中並指出： 太陽黑子並非行星凌日現象 、黑子出現位置侷限於太陽赤道上下的帶狀範圍內 、 太陽會自轉且週期相當於一個朔望月 、黑子通常會成群出現等。這是首度由黑子 的觀測資料指出太陽本身也會自轉的現象 。 1853 年，英國卡林頓（Richard Christopher Carrington ）開始進行黑子位置研 究，於 1859 年從不同緯度上出現的黑子群移動速率不同，得到太陽各緯度自轉 週期不同的「較差自轉 （differential rotation ）」現象 ，及一週期中黑子會由高緯 向赤道移動的現象 。利用大量黑子資料統計 後的結果，太陽赤道地區的自轉週期 （恆星週期）速度最快 ，平均約 為 25 天；越往高緯度地區 ，自轉速度越慢 。 如果以 ω代表太陽自轉的角速度，以 φ 代表太陽的緯度，有人認為這兩者之 間存在一個關係 ω=a+bs