太陽自轉是太陽繞自身軸的旋轉。太陽不是固體，而是由氣體電漿組成，不同緯度的自轉週期不同。太陽的自轉週期隨著緯度增加而增加，在赤道為25.67天，在75度時達到33.40天。這種差異自轉的來源是太陽天文學中目前研究的一個領域。
自轉軸
太陽的自轉軸在黃道面中略微偏斜於地球軌道軸，導致地球上的觀測者在九月能看到更多太陽北極，三月則能看到更多太陽南極。
表面旋轉作為方程式
光球層的差異自轉速率可近似為以下方程式：
:\omega=A+B\,\sin^2(\varphi)+C\,\sin^4(\varphi)
此處\omega是角速度，單位為每日度數； \varphi是太陽緯度，A是赤道角速度，B、C是控制緯度增加速度減慢的常數。A、B、C的數值會因測量技術及研究時間範圍而異。目前被接受的平均值集合是：
:A= 14.713 \pm 0.0491\ ^{\circ}/\text{day}
:B= -2.396 \pm 0.188\ ^{\circ}/\text{day}
:C= -1.787 \pm 0.253\ ^{\circ}/\text{day}
恆星自轉
在赤道，太陽自轉週期為24.47天。這稱為自轉週期的恆星週期，不應與會合的26.24天自轉週期混淆。後者是太陽上某固定特徵自轉至從地球觀察到相同位置的時間（地球的公轉軌道方向與太陽自轉相同）。會合週期較長，是因為太陽必須自轉一個恆星週期，加上地球繞太陽公轉所帶來的額外時間。請注意，天體物理文獻通常不使用赤道自轉週期，而是經常用卡林頓旋轉的定義：會合自轉週期為27.2753天，恆星週期為25.38天。這個選定的週期大致對應於北緯或南緯26度的順行旋轉，這與太陽黑子的典型緯度及相應的週期性太陽活動相符。當太陽從「北方」（地球北極上方）觀測時，太陽自轉為逆時針（向東）。對於春分時分站在地球北極的人來說，太陽黑子會從左向右沿著太陽面移動。
在史托尼赫斯特日球座標，太陽面的左側稱為東方，右側稱為西方。因此，太陽黑子據此會從東向西沿著太陽面移動。
巴特爾斯自轉數
巴特爾斯自轉數是一個序列計數，用來編號從地球上看太陽的表觀自轉，並用來追蹤太陽活動的某些反覆或變動模式。為此目的，每個輪替長度正好為27天，接近卡靈頓的輪替率。任意指定輪換第一天為1832年2月8日。序號作為一種日曆，用以標示太陽及地球物理參數的週期。
卡靈頓旋轉
卡靈頓旋轉是一種比較太陽表面位置的系統，能在一段時間內比較太陽上的位置，允許追蹤黑子群體或在後續時間再次出現的噴發。
由於太陽自轉隨緯度、深度和時間變化，任何此類系統必然是任意的，且僅在中等時間內使比較具有意義。為了卡靈頓自轉，太陽自轉被假設為27.2753天（見下文）。根據此方案，太陽的每次自轉都會被賦予一個獨特的編號，稱為卡靈頓自轉編號，以1853年11月9日為起算日期。
太陽特徵的日經度通常指其相對於中心子午線與太陽-地球徑線交叉的角距離。
同一特徵的「卡靈頓經度」指的是想像中剛性旋轉的任意固定參考點，最初由理查德·克里斯多福·卡靈頓（Richard Christopher Carrington）定義。
卡靈頓於1850年代從低緯度太陽黑子測定太陽自轉速率，並得出恆星自轉週期為25.38天。恆星自轉是相對於恆星測量的，但因為地球繞太陽公轉，我們看到這個週期為27.2753天。
可以繪製一個以太陽黑子經度為水平、時間在垂直方向的圖表。經度是基於卡靈頓自轉，並根據穿越中央子午線的時間來測量。在每一次自轉中，將前一次太陽黑子或現象繪製出來，大多數太陽黑子或其它現象會在前一次自轉的同一現象正下方重新出現。在較長時間內，可能會有輕微的左右漂移。
巴特爾斯「音樂圖」或孔德格拉姆螺旋圖是表達太陽表面各種現象約27天週期性的技術。
利用太陽黑子測量自轉
自轉常數是透過測量太陽表面各種特徵（「示蹤體」）的運動來測量的。最早且最廣泛使用的示蹤體是太陽黑子。雖然太陽黑子自古以來就被觀測到，但直到望遠鏡開始使用後，才被觀察到它們會隨太陽轉動，從而得以定義太陽自轉週期。英國學者湯瑪斯·哈里奧特可能是首位以望遠鏡觀測太陽黑子的人，這可從他1610年12月8日筆記本上的一幅圖得到證明，而首份發表的觀測報告（1611年6月）則由約翰內斯·法布里修斯完成。當時，他已系統性地觀察這些黑子數月，也注意到它們在太陽盤面上的移動。這可視為太陽自轉的首次觀測證據。克里斯多夫·謝納（《Rosa Ursine sive solis》，第四卷第二部分，1630年）是首位測量太陽赤道自轉速率的人，並注意到高緯度地區自轉較慢，因此可被視為太陽自轉差異的發現者。
每次測量給出略有不同的答案，得到上述標準差（以 +/− 表示）。聖約翰（St. John，1918年）或許是首位總結已發表太陽自轉速率的人，並得出結論：不同年份測量的序列差異難以歸因於個人觀察或太陽局部擾動，更可能是自轉速率隨時間變化所致；而胡布雷希特（Hubrecht，1915年）則是首位發現兩個太陽球體自轉方式不同的人。一項磁力計數據的研究顯示，赤道的會合週期為26.24天，極地近38天；與其它研究相符。
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內部太陽自轉
直到日震學——研究太陽波振盪——之前，關於太陽內部自轉的知識非常有限。表面的差異輪廓被認為延伸至太陽內部，呈現為角動量恆定的旋轉圓柱體。透過日震學，現在已證實並非如此，太陽的自轉剖面也已被發現。在表面上，太陽在極地自轉較緩慢，在赤道自轉較快速。該剖面沿大致放射狀線延伸至太陽對流層，直至內部。在差旋層處，位於太陽輻射區 ，旋轉突然轉變為鋼體旋轉。
相關條目
- 差異自轉
- 太陽坐標系
- 磁流體力學
- 軌道週期
- 差旋層
參考文獻
- Cox, Arthur N. (ed.), Allen's Astrophysical Quantities, 4th Ed, Springer, 1999.
- Javaraiah, J., 2003. "Long-Term Variations in the Solar Differential Rotation", Solar Physics, 212 (1): 23–49.
- St. John, C., 1918. "The Present Condition of the Problem of Solar Rotation", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 30, 319–325.
外部連結
- [http://alpo-astronomy.org/solar/rotn_nos.html Carrington Rotation Commencement Dates 1853–2016]
- [https://space.umd.edu/pm/crn/ Carrington Rotation Start and Stop Times]
- [http://scienceworld.wolfram.com/astronomy/CarringtonRotationNumber.html Carrington Rotation Number]
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