光球层的水平运动与对流深度

太阳的可见表面称为光球层或简称光球，厚几十到几百千米，它是太阳大气的底层，也是太阳大气密度最大的和温度最低的层次。光球对太阳内部的辐射是不透明的，我们观测到的太阳可见光辐射主要来自光球，因而呈现为太阳圆面（即日面或日轮）。上述太阳半径就是指光球而言的。

太阳圆面的亮度（更确切说，辐射强度）从中心到边缘逐渐减弱，尤其边缘部分减弱更严重，称为临边昏暗现象（见图8-15上）。其原因何在？粗略地说，这是因为圆面边缘的辐射来自温度较低的光球层上部，而圆面中间的辐射来自温度较高的光球层下部，如图8-15下所示。与圆面中心成θ角的辐射强度I（θ）与中心的辐射强度I（0）之比近似为

式中，u与v为与波长有关的常数。例如，对于波长0.40μm，u=0.91，v=-0.05；波长0.50μm，u=0.97，v=-0.22；波长0.60μm，u=0.88，v=-0.23。

图8-15　临边昏暗现象（上）及其解释（下）(www.xing528.com)

临边昏暗现象主要呈现于可见光及近紫外、红外波段。而在波长短于160 nm的远紫外和X射线波段以及射电波段则不是临边昏暗，而是呈现临边增亮现象，这是因为远紫外、X射线和射电辐射更有效地从光球以上的大气发射出来。

在地球大气宁静度好的时候，高分辨的太阳像上可以看到很多米粒状的较亮小斑，称为米粒（granulation）（见图8-16），其角径为0.25″～3.5″或大小为180～2540 km。太阳表面的米粒总数约500万个，米粒的总面积约占表面总面积的一半。米粒一般比其周围亮30%，温度高300 K。

米粒是一种对流现象，光球层处于较高温度的对流层上面，热的对流元胞上升，将多余热量辐射掉后，变冷的气体就分开而沿米粒边缘向下返流回去。米粒的寿命约10 min，米粒的中心向上流速约为1 km／s，而其边缘向下流速约为0.25 km／s；米粒不断地破碎和再生，形成大小为3″～5″的米粒簇，寿命可长达46 min。

图8-16　太阳光球的米粒（上）与米粒、超米粒及巨胞的对流（下）

A.B.哈特（A.B.Hart）于1954年首先发现光球层存在大尺度（25000～85000 km）的水平运动，持续几小时，速度约为0.5 km／s。1960年美国实验物理学家罗伯特·莱顿（Robert Leighton）的观测研究完全肯定这种水平运动的含义和真实范围。后来，更多的观测研究建立了超米粒（supergranulation）的大对流图像。在可见的太阳半球上约有2500个超米粒元胞，其直径为20000～54000 km，平均寿命约为20 h，元胞内的水平速度为0.3～0.5 km／s，元胞中心的上升速度和边界的下降速度的上限为0.1 km／s。米粒和超米粒都是对流运动在日面的表现，它们之间有些类似，但也有差别。除了尺度不同之外，米粒形成的有效深度约为400 km，即属于光球层的浅对流，而超米粒形成的有效深度约为7200 km，即属于对流层的深对流；米粒呈较亮的斑，而超米粒没有明显的亮度表现，主要是从速度场观测发现的。超米粒对太阳活动区的形成和发展也有重要影响，在活动区中的超米粒有更大尺度、更长寿命和更明显轮廓。但米粒尺度小，其影响也不会很大。C.W.席蒙（C.W.Simon）等认为，可能存在尺度为200000～300000 km的巨胞（giant cell）或巨米粒，几乎延伸到整个对流层。在活动区附近观测到的巨大结构可能是巨胞的表现。