1、太阳光球磁通量南北不对称性研究*宋文彬1 汪景琇1 马霞2（1中国科学院国家天文台 北京 100012）（2 中国电子科技集团第十研究所 成都 610036）摘要 运用统计方法系统研究了1978-2002年太阳光球磁通量南北不对称性变化特征，发现其与太阳活动周有关。不对称值在太阳活动极小年要明显高于太阳活动极大年，并且磁通量变化总是由上升段的北半球占优逐渐过渡到下降段的南半球占优。另外运用小波变换方法详细讨论了这种不对称性变化可能存在的周期信息。关键词 太阳物理：磁通量，南北不对称性1 引言太阳活动的南北不对称性（ANS）是太阳活动的重要特征之一。早在1904年，Maunder就注意到黑子南北
2、纬分布存在差异性1。1955年，Newton等2通过分析1833-1954年黑子相对数和黑子面积资料，证实了这种不对称性，并引起广泛讨论，其中包括对耀斑、日珥、射电暴、日冕绿线等等各种活动现象的统计工作。表1 一些作者对太阳活动南北不对称性的分析结果Table 1 Analyzed results of the asymmetry of solar activity obtained by some authorsAuthorYearDataResultReferenceHoward1974total magnetic flux（1967-1973）a higher level of acti
3、vity in the northern hemisphere3Hansen1975filament（1964-1974）the dominance of solar activity shift from the northern hemisphere to the southern one4Roy1977major solar flare events（1955-1974）a higher level of activity in the northern hemisphere5Yadav1980solar flares of different importances（1957-1978
4、）in favor of the northern hemisphere before 1970 and in favor of the southern hemisphere after 19706Verma1987major flares（solar cycle 19-20）in favor of the northern hemisphere obviously7Verma1987major flares、type II radio bursts and other solar activity indices（solar cycle 19-21）in favor of the nort
5、hern hemisphere during solar cycle 19 and 20 and in favor of the southern hemisphere during solar cycle 218Ozguc1987green corona brightness（1947-1976）the dominance of solar activity shift from the southern hemisphere to the northern one9Vestrand1987-ray flares（1980-1986）in favor of the southern hemi
6、sphere obviously10Oliver1994sunspot area（1983-1993）the dominance of solar activity shift from the northern hemisphere to the southern one during solar cycle 2211Li, K.J.1998X-ray flares（1987-1992）a higher level of activity in the southern hemisphere12目前，对太阳活动ANS的研究主要侧重在两个方面，其一是研究某时段某类现象的发生频次到底哪个半球占优
7、，其二是研究ANS的变化是否存在某种共同规律。对于前者，表1简要地列出了部分作者的分析结果，它表明同一时段太阳上各种活动ANS变化基本一致；对于后者，Carbonell等13指出，太阳活动ANS变化具有很高的统计意义。Howard3详细讨论了光球磁通量在纬度上的分布，发现其ANS在高纬地区值较大，而低纬地区值较小。Ozguc等9用日冕绿线资料得到类似结果。不过人们对ANS这种在纬度上的变化还有一些争议，例如李可军等14分别统计了1957-1998年活动日珥在南北半球高纬和低纬地区的分布情况，发现低纬地区ANS显著而高纬地区ANS微弱。同样，围绕ANS与11年太阳活动周的相关关系也有许多说法。1
8、977年Roy考察大耀斑与大黑子等现象的发生频次时认为ANS与太阳周不相关5，1985年Knoska也认为耀斑指数的ANS和太阳周的关系不能用单一函数描述清楚15。Vizoso和Ballester两次研究太阳活动ANS的变化，他们发现极小年ANS表现较强，极大年ANS符号将发生反转（即从一个半球占优过渡到另一个半球占优），说明ANS同太阳周存在一定相关性，只是相位有所不同16,17。另外，关于ANS的周期性分析也较多，其中典型的周期有25.5天（含25.5天的倍数）和80年18-21等。太阳活动ANS的变化能够影响行星际磁场（IMF）的拓扑结构、改变日球上电流片的位置和调节各种宇宙射线流量等等
9、，因而其在行星际空间环境领域是一个不容忽视的因素。同时，它作为太阳活动规律的一部分，对人们深入了解太阳推动发电机理论发展都有十分重要的参考价值。本文利用1978-2002年美国国家天文台基特峰太阳综合磁图资料系统研究了太阳光球磁通量ANS的变化特征。因为磁通量在一定程度上能够反映出太阳活动的整体水平，所以我们认为其ANS的变化信息将比其他各种活动现象都更具有代表意义。2 磁通量的南北不对称性本文原始资料来源于太阳综合磁图（NSO/Kitt Peak）。其中每幅磁图跨越的时间是一个卡林顿自转周，横向上等分为360份，纵向上按正弦长度等分为180份；在360x180的像素网格中，每个像素对应光球表
10、面的面积是相同的，像素的值代表了其相应位置的磁场强度（单位：Guass），如图1所示。图1 卡林顿自转周第1968周太阳综合磁图（NSO/Kitt Peak）Fig. 1 The solar magnetic synoptic chart of NSO/Kitt Peak of Carrington rotation number 1968在计算磁通量时，由于两极磁场较弱，加上显著的投影效应，造成测量误差较大，所以我们只选取南北纬60度之间的区域进行计算；另外，我们设磁场强度阈值为25G（即小于25G的像素都按零处理），这是因为25G这个值大致将活动区磁通量与宁静区以及网络磁场磁通量区分开来了
11、22。图2（a）和（b）分别显示了1978-2002年（卡林顿自转周1666-1985周）太阳南北半球磁通量变化情况。为了研究磁通量ANS特征，我们用以下公式定义其ANS值： , （1）其中，N和S分别指北半球和南半球磁通量。关于A的演化信息详见图2（c）。图2 太阳南北半球磁通量与其南北不对称性演化图（a：北半球，b：南半球，c：不对称性）Fig. 2 The evolution of solar photospheric magnetic flux in both hemispheres and its corresponding north-south asymmetry (a: nor
12、thern hemisphere, b: southern hemisphere, c: north-south asymmetry)在图2（c）中我们发现磁通量ANS变化十分复杂，这主要体现在幅度的剧烈抖动和符号的频繁转移上。我们利用基于二项式分布的统计方法对每个太阳周ANS做进一步分析，观察其南北分布是否只是一个随机过程。引入估计参量P(n,d)，其定义式如下： , （2）其中n为质样总数，d为某事件发生次数。一般而言，如果P10%，表明该事件没有统计意义；如果5%P10%，表明有统计意义，但不明显；如果1%P5%，表明有明显统计意义；如果P1%，表明统计意义十分显著。对于ANS，White等23曾指出：“长期平均来看，太阳磁活动是等量地发生在南北半球的”。因此，可以取p=0.5。另外，图3 磁通量南北不愀瑡爀攀琀甀爀渀愀戀漀漀欀戀晥戀攀椀渀琀攀爀攀猀琀椀渀最椀渀挀洀愀欀攀瀀攀渀昀爀椀攀渀搀猀搀暏瀀氀愀挀攀猀漀昀椀渀琀攀爀攀猀琀攀琀栀攀渀攀眀琀攀爀洀昀谀唰祓开开开开开开开开开戀甀礀愀猀琀漀爀礀戀漀漀欀琀漀洀漀爀爀漀眀最漀琀漀最漀椀渀最琀漀愀洀最漀椀渀最琀漀地栀愀琀猠礀漀甀爀昀愀瘀漀甀爀椀琀攀挀漀氀漀甀爀开开开开开开开开开开礀攀氀氀漀眀瀀瀀氀攀漀漀琀戀愀氀氀
