引人關(guān)注的超級大黑子

□ 夏 寒

引人關(guān)注的超級大黑子

□ 夏 寒

明亮的太陽表面，時(shí)常會出現(xiàn)一些黑斑，天文學(xué)家稱之為“太陽黑子”。太陽黑子是太陽物理學(xué)家熱衷的研究對象，關(guān)于它仍有許多尚待解決的謎團(tuán)。天文愛好者對太陽黑子不會陌生，用一個口徑10厘米的望遠(yuǎn)鏡，就可以一睹它的芳容。普通百姓或許知道太陽黑子這個天文學(xué)名稱，若想親眼看到它卻不是一件輕而易舉的事情，不過機(jī)會還是有的。2014年10月17日至30日，太陽表面就出現(xiàn)了一個特大黑子群，是近24年來最大的，裸眼可以觀看。按照天文學(xué)家的編號，它為2192號黑子群。

為圖1 2014年10月22日，2192號超大黑子位于中部偏左下側(cè)，便于比較大小，圖中按比例給出了木星和地球。

圖2 高分辨率太陽黑子照片，圖中黑子的半影和本影清晰可見

關(guān)于黑子

我們仔細(xì)觀察，太陽黑子區(qū)域的黑暗程度并不一致，黑子有本影和半影構(gòu)成，本影位于中心，亮度最暗，半影環(huán)繞本影，相比本影亮度較高，呈纖維狀。天文學(xué)家經(jīng)過測量，太陽表面的溫度達(dá)5500℃，而黑子中的溫度要低一二千度，這也正是它看上去黑暗的原因。經(jīng)過進(jìn)一步的考究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽黑子區(qū)域擁有強(qiáng)大的磁場，最強(qiáng)可以達(dá)到4000多高斯。磁場阻礙了太陽表層物質(zhì)的對流運(yùn)動，內(nèi)部熱量不能有效傳輸?shù)奖砻妫瑢?dǎo)致這里溫度降低。我們知道，對于磁場來說，有N極，必有S極，正是由于黑子的磁場屬性，在太陽表面，黑子往往成雙成對出現(xiàn)，或者成群出現(xiàn)，被稱為黑子群。

出場前的征兆

太陽黑子出現(xiàn)在太陽表面的一定區(qū)域內(nèi)，盡管黑子群中黑子的數(shù)目和黑子群的面積可以產(chǎn)生顯著和快速變化，但是，它在太陽表面的相對位置卻基本不變。我們知道，地球每時(shí)每刻都在自轉(zhuǎn)，由此形成了白天和黑夜。實(shí)際上，太陽也存在自轉(zhuǎn)，不同的是，太陽上不同緯度區(qū)域的自轉(zhuǎn)速度不一致，近赤道區(qū)域自轉(zhuǎn)周期為25天，在兩極區(qū)域自轉(zhuǎn)周期達(dá)34天之久（這被稱為較差自轉(zhuǎn)）。再加上，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，且公轉(zhuǎn)方向與太陽自轉(zhuǎn)的方向相同，地球上的觀測者看來，太陽赤道附近的自轉(zhuǎn)周期為27~28天。

世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間2014年10月14日18點(diǎn)至15日2點(diǎn)，太空中專門觀測太陽的兩個天文衛(wèi)星，太陽動力學(xué)天文臺（SDO）和太陽及日球天文臺（SOHO），都觀測到太陽的劇烈活動現(xiàn)象。在太陽圓面的東南方向，有巨大的日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)X射線的觀測，所發(fā)生的耀斑級別為M2級的大耀斑。然而，在太陽可見圓面的東南方部分并沒有大的黑子群，為此，太陽物理學(xué)家預(yù)測太陽的東南方位、背向地球的一側(cè)可能有巨大的黑子群存在，隨著太陽的自轉(zhuǎn)，也許兩三天之后，它會轉(zhuǎn)到面向地球的一側(cè)。

圖3 2014年10月15日，空間衛(wèi)星太陽動力學(xué)天文臺（SDO）在極紫外波段（171埃）獲得的太陽日冕圖片，圖片左下方（太陽的東南方位）高聳的太陽磁力線環(huán)狀結(jié)構(gòu)起源于背離地球一側(cè)的太陽表面，表明在那里有強(qiáng)磁場區(qū)域（黑子群）。

圖4 2014年10月14日18:52，太陽圓面東南方向發(fā)生日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象，紅色為拋射的日冕物質(zhì)，拋射的起源地位于日面背側(cè)，此為太陽動力學(xué)天文臺（SDO）衛(wèi)星在三個極紫外波段觀測的合成圖

圖5 2014年10月14日晚期的日冕物質(zhì)拋射，日冕物質(zhì)繼續(xù)向外噴射，此為太陽及日球天文臺（SOHO）衛(wèi)星的觀測圖片

龐然大物初露崢嶸

經(jīng)過兩天的等待，2014年10月17日，第2192號黑子群終于露出了一絲面孔。又經(jīng)過一天的太陽轉(zhuǎn)動，2014年10月18日，整個黑子群呈現(xiàn)在太陽東南邊緣附近。正如科學(xué)家們的預(yù)測，這是一個龐然大物，它的地盤可以容納二三十個地球。更為讓人驚心動魄的是，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間10月19日05時(shí)，這里爆發(fā)了一個X1級別的耀斑，這個劇烈的太陽活動事件在亞洲和大洋洲等地區(qū)引起了一連串的不利影響，造成這些地區(qū)的短波通訊中斷。這進(jìn)一步引起世界各國天文學(xué)家對它的關(guān)注，并且預(yù)測在未來的一段日子里，它將帶來許多大規(guī)模太陽活動現(xiàn)象。

挑戰(zhàn)歷史

黑子群是太陽上的活動現(xiàn)象之一，太陽表面的黑子數(shù)目，有時(shí)多，有時(shí)少。1843年德國天文學(xué)家施瓦貝（Schwabe）發(fā)現(xiàn)，太陽黑子的多少存在平均約11年的變化周期，稱為太陽活動周期。瑞士天文學(xué)家沃爾夫（Wolf）搜集了大量早期的太陽黑子觀測數(shù)據(jù)，研究它的變化情況，發(fā)現(xiàn)1755年是太陽黑子數(shù)極小年份。天文學(xué)家將1755~1766年的太陽活動周期規(guī)定為第一個周期，1996年5月到2008年1月為太陽活動第23周期，持續(xù)12.6年。目前太陽處于第24太陽活動周期高峰階段。

圖8 2014年10月21日的2192號黑子群的高分辨圖片

圖6 太陽動力學(xué)天文臺（SDO）10月18日拍攝的2192號巨大黑子群，作為對比，圖中左下方為地球。

圖7 2014年10月19日，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間05：00，2192號黑子群中發(fā)生的X1級別的大耀斑，太陽動力學(xué)天文臺（SDO）拍攝

2014年10月18日，從太陽背面轉(zhuǎn)出、位于太陽東南邊緣的2192號黑子群，剛剛出場已是一個龐然大物。在隨后的幾天里它繼續(xù)增長。10月20日，它所占的領(lǐng)地比前一天增大了三分之一，到10月21日，它的最大寬度達(dá)12500千米，相當(dāng)于木星的直徑，沿黑子群的最大寬度可以排列10個地球。10月22日，2192號黑子群的面積達(dá)到2410MH（MH是指太陽可見半球面表面積的百萬分之一，通常以它為單位表示黑子的面積大小，作為比較，整個地球的表面積僅有169MH）。通常，面積300~500MH的黑子群就被認(rèn)作大黑子群。這樣說來2192號黑子群已稱得上超級大黑子群，它已經(jīng)超過本活動周期曾經(jīng)的最大黑子群1967號的面積1580MH（2014年2月5日面積最大），躍居第24太陽活動周的第一位。

不過，2192號黑子群并沒有停止發(fā)展的步伐，2014年10月23日，它的面積增長到2700MH，超過了上個太陽活動周的最大黑子群的面積2610MH（0486號，2003年10月23日至11月5日位于太陽的可見半球），成為近24年來的最大黑子群。1990年11月18日，6368號黑子群的面積達(dá)到3080MH。2014年10月27日，2192號黑子群更上一層樓，它的面積增長到2750MH，達(dá)到頂峰。

圖9 2014年10月17日至30日，2192號黑子群在太陽可見圓面的變化，自左向右的移動由于太陽自轉(zhuǎn)引起

偏食相伴

太陽表面出現(xiàn)近24年來的最大黑子群，大大地激發(fā)了太陽物理學(xué)家的科學(xué)研究熱情，天文愛好者們也是爭先恐后紛紛進(jìn)行觀測和攝影。巨大的黑子群帶來了許多太陽耀斑，極大地提高了太陽的活動水平，使得地球和行星際空間變得不再安寧，地球電離層受到擾動，短波無線通信被中斷，這給人們帶來了興奮也帶來了不安。然而，更讓人們興奮的是，2014年10月23日下午（北京時(shí)間10月24日凌晨），月球悄悄來到太陽和地球的中間，遮擋住部分太陽圓面，日偏食發(fā)生了。此次日偏食，幾乎整個北美洲地區(qū)都可觀看，越往北部太陽被遮擋的部分越大，在美國佛羅里達(dá)州，12%的太陽圓面被月球遮擋，而在最北部的阿拉斯加被遮擋部分接近70%。超級大黑子群與日偏食共存，是個難得一見的奇妙天文現(xiàn)象，它給人們帶來無窮樂趣，北美洲的天文愛好者體驗(yàn)和欣賞到了宇宙天體的超凡魅力。

圖10 2013年10月23日（北京時(shí)間10月24日），超級大黑子與日偏食共存。

轟轟烈烈的表現(xiàn)

黑子出現(xiàn)在太陽光球，太陽光球是我們眼睛直接看到的太陽大氣部分。從光球向外，還有太陽色球和太陽日冕兩個層次，它們都是太陽大氣的組成部分。太陽黑子的強(qiáng)磁場向外延伸可以達(dá)到色球和日冕層，構(gòu)成一個強(qiáng)磁場區(qū)域，稱為太陽活動區(qū)。太陽活動區(qū)是多數(shù)太陽活動現(xiàn)象的發(fā)生地，例如耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射。

太陽耀斑是活動區(qū)磁場能量的爆發(fā)性釋放，最常見的表現(xiàn)為色球局部區(qū)域增亮，一般在整個電磁波段都有強(qiáng)烈的輻射，另外還會產(chǎn)生高能帶電粒子，主要為高能質(zhì)子和電子。按照X射線輻射的強(qiáng)弱，可以將耀斑分為B、C、M、X四個等級，M級耀斑一般會對地球造成一些不利影響，X級耀斑的影響則非常明顯。同樣對地球影響巨大的太陽活動現(xiàn)象還有日冕物質(zhì)拋射，受太陽磁場變化的作用，日冕物質(zhì)會以爆發(fā)的方式向外噴射，包括帶電粒子和電磁輻射，這往往也會給地球磁場及地球空間帶來劇烈擾動。

圖11 2014年10月22日，2192號黑子群爆發(fā)的X1.6級別的大耀斑，太陽動力學(xué)天文臺（SDO）拍攝

圖12 2014年10月24日，2192號黑子群中的大耀斑，此為耀斑的色球增亮圖片

通常，黑子群的面積越大，它包含的磁場則越強(qiáng)，進(jìn)而預(yù)示著將要產(chǎn)生更多個爆發(fā)性活動過程。當(dāng)黑子群2192還藏在太陽背后時(shí)，就爆發(fā)了多個M級耀斑，并伴隨有巨大的日冕物質(zhì)拋射。10月17日，在轉(zhuǎn)入可見日面后，它的面積持續(xù)增加，磁場結(jié)構(gòu)變得交錯復(fù)雜，表明它蘊(yùn)藏著巨大能量。其面積在10月27日最大達(dá)到2750個太陽面積單位，成為自1990年11月18日以來面積最大的太陽黑子群。該黑子在進(jìn)入可見日面后爆發(fā)了6次X級大耀斑和35個M級耀斑，以及更多的C級耀斑。按照耀斑爆發(fā)的次數(shù)和等級來講，已經(jīng)成為第24太陽活動周以來的最強(qiáng)活動區(qū)，因此，該黑子群可稱得上第24太陽活動周到目前為止的“最大、最強(qiáng)黑子群”。

波及地球

2192號黑子群爆發(fā)的太陽耀斑對地球向陽面的電離層造成了不小的影響，使得這里發(fā)生電離層擾動，進(jìn)而使短波通訊受到影響甚至中斷。黑子群2192爆發(fā)的M和X級耀斑中，主要有兩次爆發(fā)活動對我國電離層產(chǎn)生了明顯影響：10月19日12∶17爆發(fā)的X1.1級耀斑，10月22日09∶16爆發(fā)的M8.7級耀斑就造成我國大部分地區(qū)的電離層發(fā)生短波吸收現(xiàn)象。其余的幾次大耀斑爆發(fā)期間，我國大部分地區(qū)處于夜間時(shí)段，電離層受到太陽爆發(fā)活動的影響較小，然而，此時(shí)處于向陽面的其他國家和地區(qū)必然會受到較大影響。

但是，該黑子群在日面期間的所有爆發(fā)活動，沒有發(fā)生太陽高能質(zhì)子事件，也沒有朝向地球的日冕物質(zhì)拋射事件，衛(wèi)星、導(dǎo)航、地面電力等技術(shù)設(shè)備和系統(tǒng)，可謂是沒有受到傷害，這也是此次巨大黑子群活動的特殊之處。

13 2014年10月27日，2192號黑子群已經(jīng)轉(zhuǎn)到太陽圓面的西部邊緣，將要轉(zhuǎn)出可見日面

慢慢離開

2014年10月30日，2192號黑子群在爆發(fā)完一個M1.2級中等耀斑之后，終于開始“休息”，它也將離開太陽可見圓面，走到背后去。結(jié)束了它十幾天的驚人表現(xiàn)。一般來說，黑子群的壽命，可達(dá)幾天到十幾天，甚至幾個月。那么2912號黑子群的壽命能有多長呢？它能否再次轉(zhuǎn)出日面，再次震驚世人？當(dāng)時(shí)，給天文學(xué)家留下了一個懸念。另外，在第24太陽活動周未來的幾年里，是否還能夠出現(xiàn)如此強(qiáng)如此大的黑子群？或許更大的黑子群？創(chuàng)出30年之最、50年之最、或許百年之最？這些問題沒有確定的答案，讓我們拭目以待！

圖14 2014年10月29日，位于太陽西南部邊緣的2192號黑子群的磁場結(jié)構(gòu)，太陽動力學(xué)天文臺（SDO）在極紫外波段拍攝

再次復(fù)出今非昔比

圖15 11月14日，重新轉(zhuǎn)出日面的大黑子群，位于左下方。

2014年10月31日，2192號黑子群完全轉(zhuǎn)到背向地球的太陽一側(cè)，它完全離開了人們的視野。經(jīng)過10多天的等待，隨著太陽的自轉(zhuǎn)，2014年11月13日，這個昔日的龐然大物，重又復(fù)出。不過，它不再具有曾經(jīng)的威風(fēng)。盡管在11月16日它的面積仍然達(dá)到940MH，稱得上是大黑子，但是比上次出現(xiàn)時(shí)的最大面積2750MH差不多減小了2/3，呈現(xiàn)出衰退的景象。在重新轉(zhuǎn)出后的十多天里，有影響的活動也僅有出現(xiàn)在11月16日的一個M5.7的大耀斑，爆發(fā)活動的數(shù)量和規(guī)模與上次出現(xiàn)相比，也不可同日而語，而且自11月19日開始明顯衰減。不過，天文學(xué)家仍然關(guān)注著這個不平凡的大黑子。

圖16 11月16日該黑子中爆發(fā)的M5.7大耀斑

（責(zé)任編輯 蘇晨）