Sunspot - kokuten (English spelling) sunspot

Japanese: 黒点 - こくてん（英語表記）sunspot

A general term for dark spots that appear on the surface of stars, including the Sun.

Sunspots are a typical phenomenon of celestial magnetic fields, but sunspots on the Sun are often written as sunspots and are distinguished from star spots. When the word sunspots is used alone, it generally refers to sunspots. This article describes sunspots.

In the case of the Sun, the photosphere emits blackbody radiation at about 6000°C, while sunspots emit blackbody radiation at about 4000°C. For this reason, they appear darker than the photosphere and are described as black. Their actual color as blackbody radiation is brown or brownish. In 1908, a magnetic field was discovered in sunspots, marking the first discovery of a magnetic field outside of Earth.

[Hirokazu Yoshimura]

The structure and appearance of sunspots

Sunspots are currently thought to be a phenomenon called magnetic flux tubes, which are formed when magnetic field lines that represent the internal magnetic field gather together in a narrow tube shape. Magnetic flux tubes can become lighter than their surroundings and rise to the surface. When they cool, the temperature of the cut edge of the flux tube on the solar surface drops and it appears dark. These dark cut edges are thought to be sunspots.

Sunspots are not noticeable unless the temperature of the magnetic flux tubes that appear on the surface is the same as that of the photosphere. Also, sometimes magnetic flux tubes that were hot and appeared to be shining become sunspots when their temperature drops. When magnetic flux tubes heat up and when they cool down is one of the basic problems in understanding sunspots.

Sunspots are a magnetic field phenomenon, so north and south pole regions exist simultaneously with sunspots. When both pole regions cool and become sunspots, the two sunspots pair up to form a bipolar sunspot group. Pairs run from east to west and are called leading and trailing sunspots. One of the paired sunspots is often a cluster of small sunspots. There has also been a phenomenon in which small sunspots are formed one after another from the center of the paired sunspot and are absorbed into the paired sunspot. Sometimes only one of the pair grows large, while the other is a cluster of small sunspots or a magnetic flux tube without becoming a sunspot, which is called a unipolar sunspot.

The magnetic field of the enlarged sunspot spreads horizontally from the center along the surface of the photosphere, called the penumbra. The magnetic field lines in the center of the sunspot are nearly perpendicular to the surface of the photosphere, called the umbra. The boundary between the umbra and the penumbra, and also between the penumbra and the photosphere, are clearly defined.

The area between 40 degrees north and south latitude on the sun, where sunspots often appear, is called the sunspot belt. The number of sunspots increases and decreases in an 11-year cycle, which is called the 11-year sunspot cycle. Sunspot minima, when there are few sunspots, tend to appear around 30 degrees latitude, while sunspot maxima, when there are many sunspots, tend to appear around 15 degrees latitude.

[Hirokazu Yoshimura]

History of the discovery of sunspots

When the strong light of the sun is blocked by fog, smoke from fires, or large amounts of yellow sand, sunspots can be seen with the naked eye. For this reason, the existence of sunspots has been confirmed since before telescopes were used for astronomical observation. Currently, records of past sunspots are being discovered one after another in countries around the world. In Asia, records remain in Japan, China, Korea, and other countries. In Europe, Theophrastus, a disciple of Aristeles of Greece, described them in relation to meteorological phenomena more than 300 years ago. The oldest known sketch of sunspots is found in a history book written by a monk called John of Worcester in central England by 1140.

Astronomical observations using telescopes began in 1609, and sunspots began to be observed from 1610. Known observers include Thomas Harriot (1560-1621) from England and his group, Fabricius and his son Johannes (1587-1615) from Germany, Scheiner from South Germany, Galileo, Lodovico Cigoli (1559-1613), and Domenico Cresti (1559-1638) from Italy. Alexander Wilson (1714-1786) from England discovered that sunspots around the Sun were depressions like holes in the surface of the Sun in 1769, which led to the elucidation of the physical structure of sunspots.

Because directly observing the Sun through a telescope poses the risk of eye damage, most observations are made in a dark room called a camera obscura, where an image of the Sun is projected onto the telescope.

[Hirokazu Yoshimura]

Sun rotation discovered by sunspots

When Ludovico Cigoli and subsequent observers reported that sunspots appeared to rotate on a sphere as they moved across the surface of the Sun, their existence was taken as evidence that the Sun rotates in the same direction as the Earth. In 1863, the British Richard Carrington (1826-1875) measured the speed of rotation using sunspots as an indicator, and discovered that the Sun's rotational period or angular rotation speed differs depending on latitude, and that the equatorial part rotates faster (equatorial acceleration).

[Hirokazu Yoshimura]

The 11-year sunspot cycle and the Earth's geomagnetic field

In 1843, the German astrophysicist Schwabe recorded sunspots in order to find the inner planets, which were expected to be closer to the Sun than Mercury, and discovered that the number of sunspots increased and decreased. Wolf, who was at the Zurich Observatory, which had just been established at the time, became interested in this phenomenon and looked back at the sunspot records to find that the number of sunspots varies with an average cycle of 11 years. At the same time, he noticed that there were periods when there were no sunspot records at all (Maunder Minimum).

In 1852, the British scientist Edward Sabine (1788-1883) reported that the time variation in the magnitude of the deflection of a terrestrial magnetic needle used to measure the Earth's magnetic field closely resembled the time variation in the number of sunspots determined by Wolf. When Wolf, Jean-Alfred Gautier, and Johann von Lamont (1805-1879) also reported similar findings, the idea that sunspots were not merely black spots on the surface of the Sun, but a physical solar phenomenon connected to the Earth's magnetic field, became widely recognized.

The connection with the Earth's magnetic field was not discovered suddenly. In 1851, the year before, Lamont had discovered that geomagnetic storms have a 10-year cycle similar to the 11-year cycle of sunspots. Prior to Lamont's discovery, the Englishman Henry Gellibrand had discovered the variation of the Earth's magnetic field in 1635, Jean-Jacques Alter de Milan had discovered that the Aurora appears when there are sunspots on the sun in 1733, and Anders Celsius and Olof Hiorter had discovered the relationship between the Aurora and the variation of the Earth's magnetic field in 1747. Therefore, it was already predicted that there should be a correlation between sunspots and the variation of the Earth's magnetic field through the Aurora.

[Hirokazu Yoshimura]

Discovery of the magnetic field of sunspots

It had been predicted for a long time that the Sun had a magnetic field, but it was Hale of the Mount Wilson Observatory who proved it in 1908. He saw the Zeeman effect of light emitted by atoms in a magnetic field in the light from sunspots.

Hale conducted long-term observations with Seth Nicholson and announced in 1925 that the polarities of leading and trailing sunspots in a bipolar sunspot group are roughly the same in the Northern Hemisphere during one solar cycle, but are reversed in the Southern Hemisphere, but that this relationship is reversed at the beginning of the next solar cycle.

This phenomenon indicates that sunspots are governed by the structure and time evolution of the Sun's global magnetic field, and that the average sunspot period is 22 years instead of 11, taking into account polarity reversals.

[Hirokazu Yoshimura]

Sunspots and Solar Radiation

An even deeper connection between sunspots and the Earth can be seen in the relationship between sunspots and changes in solar radiation, which is the total amount of light energy radiation from the Sun. In 1978, Yoshimura's nonlinear dynamo theory, a theory of the creation of the solar magnetic field, theoretically predicted that solar radiation is not constant, but should fluctuate in the same way as the 11-year sunspot cycle. Since 1978, systematic observational data from multiple satellites in space has been accumulated, conclusively showing that solar radiation also fluctuates in the same way as the 11-year sunspot cycle. Although the 11-year sunspot cycle and the solar radiation cycle do not necessarily change over time, detailed research is currently being conducted on solar radiation fluctuations, as they are an important factor in global climate change.

[Hirokazu Yoshimura]

[Reference] | Sun

Sunspots
The diameter of the sunspot in the photo is about 129,000 km, which is roughly the size of 10 Earths. Photographed on October 23, 2014 by the Solar Observatory "SDO" ©NASA/SDO ">

Sunspots

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

太陽をはじめ恒星の表面に暗く見える斑点(はんてん)の総称。

　黒点は天体の磁場の代表的な現象であるが、太陽の黒点は太陽黒点と表記され、恒星黒点と区別されることが多い。一般に黒点とだけ表記されるときは太陽黒点をさす。この項では太陽黒点について記述する。

　太陽の場合、光球が約6000℃の黒体放射の光を出すのに対して、黒点は約4000℃の黒体放射の光を出す。このため光球より暗く見え、黒色と表現される。黒体放射として見た実際の色は褐色あるいは茶色。1908年、太陽黒点に磁場が発見され、地球外での最初の磁場の発見となった。

［吉村宏和］

太陽黒点の構造と出現の原理

現在、黒点は内部の磁場を現す磁力線が、狭い管状に集まって形成される磁束管の現象の1つであると考えられている。磁束管は周囲より軽くなって表面に浮かび上がることがある。磁束管が冷却されると、磁束管の太陽表面での切り口の温度が下がって暗く見える。この暗く見える切り口が黒点と考えられている。

　表面に現れた磁束管の温度が光球と変わらないと黒点が目立たない。また、温度が高く、輝いて見えていた磁束管の温度が下がって黒点となるときもある。磁束管がどのようなときに加熱され、どのような時に冷却されるかは太陽黒点の理解の基本問題の1つである。

　太陽黒点は磁場の現象であるため、黒点にともなうN極とS極の領域が同時に存在する。両方の極の領域が冷却され、黒点となっている場合は2つの黒点がペアになって双極黒点群となる。ペアは東西にならび、先行黒点と後行黒点とよばれる。ペアとなった黒点の一方は小さな黒点の集まりであることが多い。ペアとなった黒点の中央部分から小さな黒点が次々と形成され、ペアの黒点に吸い込まれていく現象も見られている。ペアの一方だけが大きく成長し、片方は小さな黒点の集まり、あるいは、黒点とならずに磁束管で形成される場合があり、これは単極黒点とよばれる。

　大きくなった黒点の磁場は中央部から光球の表面に沿って横に広がり、半暗部とよばれる。黒点の中央部の磁力線は光球の表面にほぼ垂直であり、暗部とよばれる。暗部と半暗部の境目、また、半暗部と光球の境目はくっきりとして境界が明確である。

　黒点がよく出現する太陽の北緯40度から南緯40度までは黒点帯とよばれる。黒点の数は11年の周期で増減を繰り返し、これを黒点の11年周期という。数が少ない黒点極小期は、緯度30度付近に現れ、数が多い黒点極大期には緯度15度付近に出現するものが多い。

［吉村宏和］

太陽黒点の発見の歴史

霧や火災の煙、大量の黄砂などによって太陽の強い光が遮られると、肉眼でも黒点が見えることがある。そのため、望遠鏡が天体観測に使われるより昔から黒点の存在は確認されていた。現在、世界の各国で次々と過去の黒点の記述が発見されている。アジアでは日本、中国、韓国などに記録が残っている。ヨーロッパでは、紀元前300年以上前のギリシアのアリステレスの高弟であるテオプラストスが気象現象との関連で記述している。黒点を描いた最古のスケッチは、イギリス中部のウスターのジョンと呼ばれる僧侶が1140年までに書き表した歴史書が知られている。

　1609年に望遠鏡による天体観測が始まり、1610年から太陽黒点も観測されるようになった。観測者としてイギリスのトーマス・ハリオットThomas Harriot（1560―1621）とそのグループ、ドイツのファブリキウスとその子のヨハネスJohannes（1587―1615）、南ドイツのシャイナー、イタリアのガリレイ、ルドビコ・チゴリLodovico Cigoli（1559―1613）、ドメニコ・クレスティDomenico Cresti（1559―1638）などが知られている。イギリスのアレキサンダー・ウィルソンAlexander Wilson（1714―1786）は、1769年に太陽周辺で黒点が太陽表面の穴のように凹んでいることを見つけ、黒点の物理的構造の解明のきっかけとなった。

　直接、望遠鏡で太陽を観測することは眼に障害をもたらす危険があるので、多くはカメラ・オブスキュラ（暗い部屋の意）という暗い部屋で太陽像を投影して観測された。

［吉村宏和］

黒点による太陽の自転の発見

ルドビコ・チゴリと、それに続く観測者によって、黒点が太陽の表面を移動していくとき、球の上を回転していくかのように見えることを報告されると、黒点の存在は太陽も地球の公転と同じように同じ方向に自転している証拠とされた。1863年にはイギリスのリチャード・キャリントンRichard Carrington（1826―1875）が黒点を指標として自転の速度を計測し、太陽の自転周期あるいは角自転速度が緯度によって異なることから、赤道部分が速く自転していることを発見した（赤道加速）。

［吉村宏和］

太陽黒点11年周期と地球地磁気

1843年のドイツのシュワーベは、水星より太陽に近いところにあると予想されていた内惑星を見つけるため、黒点を記録していたが、その結果、黒点の数が増えたり減ったりすることを発見した。当時、設立されたばかりのチューリヒ天文台のウォルフはこの現象に興味をもち、過去の黒点の記録をさかのぼって、黒点の数は平均11年の周期で変化していることを発見した。同時に、黒点の記録がまったくない時期（マウンダー極小期）があることにも気づいている。

　1852年、イギリスのエドワード・サビーンEdward Sabine（1788―1883）は、地球磁気を測定する地上の磁針の触れの大きさの時間変化は、ウォルフが決定した黒点の数の時間変化と酷似することを発表した。ウォルフ、ジャン・アルフレード・ガウチエ、ヨハン・フォン・ラモントJohann von Lamont（1805―1879）も同様なことを発表すると、黒点は太陽表面の黒いしみのような存在にすぎないわけではなく、太陽の物理現象であり、しかも地球磁場の現象と結びついているという認識が広がっていった。

　地球磁気との関係は、突然見つかったわけではない。その前年の1851年には、ラモントは磁気嵐には太陽黒点11年周期と似た10年周期が存在することを発見している。また、ラモントの発見の前に、1635年のイギリスのヘンリー・ジェリブランドの地球の磁場の変動の発見、1733年のジャン・ジャック・オルトゥール・ド・ミランの太陽に黒点があるときに、オーロラが出現することの発見、1747年のアンデルス・セルシウスとオロフ・ヒオルテールによるオーロラと地球磁場の変動には関係があることの発見がある。したがってオーロラを通じて黒点と地球磁場変動には相関があるべきという予測がすでにあったことになる。

［吉村宏和］

太陽黒点の磁場の発見

太陽は磁場をもっているのではないかという予測は長い間あったが、実証は1908年に発表されたウィルソン山天文台のヘールによるものである。磁場のなかの原子が出す光のゼーマン効果を黒点からの光に見たのである。

　ヘールはセス・ニコルソンとともに長期間の観測を行い、1925年に双極黒点群の先行黒点と後行黒点の極性は1回の太陽周期のあいだ、北半球ではほぼ同じ関係だが、南半球では逆であること、しかし、次の太陽周期が始まるとこの関係は逆転することを発表した。

　この現象は、黒点が太陽全体の磁場の構造と時間変化に支配されているということを示している。また、太陽黒点の平均周期は、極性の反転を考慮すると11年ではなく22年であることを示している。

［吉村宏和］

太陽黒点と太陽放射量

太陽黒点と地球の関係のさらに深いつながりは、黒点と太陽からの光のエネルギー放射の総量である太陽放射量の変化の関係に見られる。太陽放射量は一定でなく、太陽黒点11年周期と同様に変動すべきであることが1978年の太陽磁場の創成の理論である吉村の非線形ダイナモ理論によって理論的に予測されていた。1978年から系統的に宇宙空間の複数の衛星からの観測データが蓄積されると、太陽放射量も太陽黒点11年周期と同様な変動をしていることが確定的に示されている。太陽黒点11年周期と太陽放射周期は必ずしも同じ時間変化をするとは限らないが、太陽放射変動は地球気候変動の重要な要素であるため、現在、詳細な研究が進められている。

［吉村宏和］

[参照項目] | 太陽

太陽の黒点

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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