MATLAB太陽黑子活動周期

太陽黑子的活動周期研究班級：電控研14-2姓名：慶春2021/6/271太陽黑子（太陽的暗黑斑點）太陽黑子（sunspot）是在太陽的光球層上發(fā)生的一種太陽活動，是太陽活動中最基本、最明顯的。一般認為，太陽黑子實際上是太陽表面一種熾熱氣體的巨大漩渦，溫度大約為3000-4500℃。2021/6/272因為其溫度比太陽的光球層表面溫度要低1000到2000攝氏度（光球層表面溫度約為6000攝氏度），所以看上去像一些深暗色的斑點。太陽黑子很少單獨活動，通常是成群出現(xiàn)。黑子的活動周期為11年，活躍時會對地球的磁場產生影響，主要是使地球南北極和赤道的大氣環(huán)流作經(jīng)向流動，從而造成惡劣天氣，使氣候轉冷。嚴重時會對各類電子產品和電器造成損害。太陽黑子雖然顏色較"深"，但是在觀測情況下，與太陽耀斑同樣清晰顯眼。天文學家把太陽黑子最多的年份稱為“太陽活動峰年”，太陽黑子最少的年份稱為“太陽活動谷年2021/6/273如何觀測一般的光學望遠鏡主要是觀測太陽光球層的活動現(xiàn)象：黑子、耀斑和米粒組織。我們主要觀測黑子和耀斑。1．太陽黑子是光球上最明顯的活動，在日面的形成、發(fā)展、消失、形態(tài)、多少、大小和分布等，都有一定的規(guī)律。黑子在日面上的東西分布是不對稱的——東半球比西半球多，并且集中分布在日面中緯度區(qū)域。較完整的黑子是由本影和半影組成，中間深黑色的部分叫本影，四周暗淡的部分叫半影。另外大多數(shù)黑子都成群出現(xiàn)，多是沿東西方向分布著。一群中，西邊較大的黑子叫前導黑子，東邊較大的黑子叫后隨黑子。就太陽整體而言，黑子活動有大約11年的周期變化。2021/6/2742．光斑是在太陽光球層的東西邊緣，往往出現(xiàn)一些比光球的背景更明亮的區(qū)域，這就是光斑。光斑常伴隨日面邊緣的黑子一起出現(xiàn)，也存在著11年的周期。觀測的方法：太陽觀測有幾種不同的方法。我們暫時只選用投影觀測，以后進行照相觀測。下面的內容中將重點介紹一下投影觀測，簡要說明照相觀測。2021/6/275投影觀測一、測前準備（1）觀測紙：印有日本威信公司生產的太陽觀測網(wǎng)格圖，觀測者根據(jù)當日的B0、P值選擇，共有八種（在下文中介紹）。（2）描圖紙：印有與觀測紙網(wǎng)格圖同樣大小稀疏網(wǎng)格圖（直徑為10厘米，B0=0度，P=0度），也可以用白而薄的紙（紙上有直徑10厘米的圓）（3）天頂棱鏡：若使用的太陽投影板平面與鏡筒平行，需使用天頂棱鏡改變光路。（4）目鏡：不能使用膠合目鏡，用惠更斯目鏡較為合適。不能使用高倍目鏡。（5）濾光片：ND中性濾光片，有ND2、ND4、ND8多種。（6）天文普及年歷：觀測當天的B0、L0、P值都需從當年的天文年歷中查得。（7）常用的工具：鉛筆、手表、紅黃彩筆、尺、圓規(guī)、投影儀、小磁鐵或夾子。（8）帶上前一天的描點圖。2021/6/2761、將望遠鏡極軸大致對準北極，鏡筒指向太陽，觀察鏡筒的影子，當影子最小時，說明太陽已經(jīng)大致對好。！??！請注意，千萬不能用眼睛通過望遠鏡直接尋找太陽，尋星鏡也最好不要加裝。2、記錄透明度、寧靜度、云量、描圖開始時間等觀測背景數(shù)據(jù)。關于寧靜度和透明度的規(guī)定是這樣的：范圍是0-5最好是5，最差是0，一般都要在2.5以上才可以觀測。寧靜度與風有關，一般4級以下可以定為3。透明度與污染等有關，取值看經(jīng)驗了。3、裝上、目鏡、投影板，調好焦距，將描圖紙固定在投影板上（我們用小的吸鐵石或夾子），上下移動板，使太陽的像與描圖紙上的圓面等大。4、不要跟蹤太陽，選擇一顆小而清楚的黑子，觀察其在描圖紙上的視運動軌跡，確定東西線。5、若使用網(wǎng)格圖來描點，只需旋轉描圖紙，使黑子的視運動軌跡方向（太陽的東西線方向）與描圖紙中的緯線平行。使用白紙只需在數(shù)據(jù)分析時畫出東西線即可。2021/6/2776、確定日面坐標方向①若投影板與鏡筒平行，由于描圖紙上的像是經(jīng)過折射鏡和棱鏡兩次改變光路得到的，故太陽黑子視運動方向恰與日面坐標中的東西走向大體一致，再按“上北下南，左西右東”，日面坐標方向就確定了。②若投影板與鏡筒垂直，由于只經(jīng)過一次改變光路，方向完全相反：按上南下北，左東右西。即可確定日面坐標方向。7、把投影相和描圖紙的圓對齊并開始跟蹤，在日面上找一顆形狀較為規(guī)則的大黑子，適當調整望遠鏡的赤經(jīng)、赤緯旋鈕，當投影日面與描圖紙上的圓重合時迅速描下該黑子的位置，其他黑子就可以以它為主參照黑子定位。另外邊看邊記黑子群數(shù)、個數(shù)、形態(tài)、位置等。此時要對照前一天的黑子描點圖，并確定出黑子群的類型（采用蘇黎式分類法）2021/6/2788、描圖時要迅速，手不要壓屏，頭不要碰目鏡。9、其他黑子的描圖需按以下步驟進行：①黑子需自西向東描。②先描黑子半影，后描本影。③先描前導黑子，后描后隨黑子。10、描出光斑。11、記錄描圖結束的時間，以描圖開始結束時間的中間時刻，記為描圖時間。2021/6/279數(shù)據(jù)見附表太陽黑子的活動呈現(xiàn)周期性變化的，沃爾夫(R.Wolfer)根據(jù)在過去的288年(1700年~1987年)間每年太陽黑子出現(xiàn)的數(shù)量和大小的觀測數(shù)據(jù)推算出11年的周期規(guī)律。2021/6/2710數(shù)據(jù)處理離散時間信號的傅里葉變換DiscreteTimeFourierTransform,DTFTDFS是周期序列的離散傅里葉級數(shù)DTFT是非周期序列的傅里葉變換，稱離散時間傅里葉變換，其頻譜是連續(xù)的函數(shù)DFT是有限長序列的離散傅里葉變換，是對其DTFT的等間隔抽樣，是離散的頻譜DFT是DFS的主值序列，是非周期的。而DFS是DTFT的頻域內的抽樣。FFT是DFT的一種高效快速算法，也稱作快速傅里葉變換。2021/6/2711離散傅立葉變換（DFT）

公式2021/6/2712這一對式子，左、右兩邊都是離散的，有限長，因此可方便地用來實現(xiàn)頻譜分析。但使用時，一定要想到，它們均來自DFS,即x（n）和X（k）都是周期的！FFT是一種DFT的高效算法，稱為快速傅立葉變換（fastFouriertransform）。FFT算法可分為按時間抽取算法和按頻率抽取算法，先簡要介紹FFT的基本原理。從DFT運算開始，說明FFT的基本原理。2021/6/2713

2021/6/2714實現(xiàn)步驟及內容

(1)讀取數(shù)據(jù)并繪制Wolfer圖，觀察太陽黑子的活動現(xiàn)象。程序如下：loadsunsb.dat%讀取數(shù)據(jù)year=sunb(:,1);%讀取年份信息wolfer=sunb(:,2);%讀取黑子活動數(shù)據(jù)figure%新建圖像plot(year,wolfer)%畫出時域圖xlabel('Years');ylabel('SunbData');title('SunbData')%標注橫縱坐標和標題pause2021/6/27152021/6/2716為清楚起見，畫出部分時間段(如實驗中采取最近50年)的Wolfer圖進行觀察。程序如下：figureplot(year(261:311),wolfer(261:311),'b.-');%用進50年數(shù)據(jù)做圖xlabel('Years');ylabel('SunbData');title('Atthelast50years')%標注橫縱坐標和標題2021/6/27172021/6/2718(2)對已經(jīng)得到的Wolfer數(shù)應用FFT技術分析它的變化規(guī)律。程序如下：Y=fft(wolfer);%對全部數(shù)據(jù)做FFTY(1)=[];%由于算法問題，Y(1)為所有fft數(shù)值之和，因此需舍棄第一個點pause觀察Wolfer數(shù)在FFT分析后得到的在復平面中的分布圖。程序如下：figureplot(Y,'ro')%在復平面做圖，空心點title('FourierCoefficientsintheComplexPlane');xlabel('RealAxis');%標注橫坐標為’實部’ylabel('ImaginaryAxis');%標注縱坐標為’虛部’pause2021/6/27192021/6/2720(3)功率與頻率的關系曲線則被定義為周期圖。用周期圖法對Wolfer數(shù)進行功率譜密度分析。程序：figuren=length(Y);%取FFT結果長度為npower=abs(Y(1:n/2)).^2;%取前n/2個數(shù)據(jù)求其功率nyquist=1/2;%取最大頻率為0.5freq=(1:n/2)/(n/2)*nyquist;%將FFT轉換為DTFT%假設采樣頻率為Fs，采樣點數(shù)為N，做FFT之%后，某一點n（n從1開始）表示的頻率為：%Fn=(n-1)*Fs/N；該點的模值除以N/2就是對應。真實頻率plot(freq,power)%畫周期圖xlabel('cycles/year');title('Periodogram')pause2021/6/27212021/6/2722為清楚起見，對功率和頻率的前50個分量作它的周期圖。程序如下：figureplot(freq(1:50),power(1:50))%為觀察方便xlabel('cycles/year')pause2021/6/2723(4)確定出太陽黑子的活動周期。為清楚起見，畫出功率與周期（頻率的倒數(shù)）的關系曲線圖。程序如下：figureperiod=1./freq;%將橫坐標單位轉換為年/周期plot(period,power);%畫周期圖axis([05002e+7]);ylabel('Power');xlabel('Period(Years/Cycle)');%單位為年/周期pause2021/6/27242021/6/2725(5)在功率與周期關系曲線圖中標出功率的最高點，該位置對應的周期則為太陽黑子活動周期。holdon;index=find(power==max(power));%找到頻率最大點，該點橫坐標即為