迷你問答系列（七）太陽黑子周期的秘密

□ 國(guó)家天文臺(tái)　黃亞芳

迷你問答系列（七）太陽黑子周期的秘密

□ 國(guó)家天文臺(tái)黃亞芳

地球由于公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)的原因，有著春夏秋冬，有著日夜輪回。

那么，問題來了：給我們光和熱的太陽呢？她有沒有自己的周期呢？回答：當(dāng)然有啦！

那么，問題又來了：我們是通過什么了解太陽周期的呢？回答：太陽黑子??！

那么，更多問題出現(xiàn)了：什么是太陽黑子？太陽黑子是怎么產(chǎn)生的呢？

好吧，容我細(xì)細(xì)道來。

穿梭云間的飛機(jī)和背后的太陽黑子。在這幅圖上，不僅有著片片云彩，還有著碰巧出現(xiàn)在視野里的飛機(jī)，遠(yuǎn)處的背景是正處于日偏食中的太陽以及其上的黑子（AR2192）。圖片來源：APOD

太陽黑子觀測(cè)歷史

太陽是太陽系的中心恒星，也是距離地球最近的恒星。天文學(xué)家們?cè)_玩笑說，如果太陽離我們更遠(yuǎn)一點(diǎn)，或許我們能對(duì)她了解更多。正是因?yàn)榫嚯x地球如此之近，太陽表面盤旋流動(dòng)的大氣和強(qiáng)大的磁場(chǎng)湍流如此勢(shì)不可擋。這讓人類為之敬畏，也使地球上出現(xiàn)了豐富多彩的生命形態(tài)和五彩變幻的自然景觀。

在各種太陽活動(dòng)現(xiàn)象中，最為醒目也最容易觀測(cè)到的現(xiàn)象就是太陽黑子。太陽黑子是出現(xiàn)在太陽明亮光盤上的暗色斑點(diǎn)。我國(guó)是世界上首先發(fā)現(xiàn)太陽黑子的國(guó)家。在《漢書·五行志》中記載：“日出黃，有黑氣。大如錢，居日中?！庇涊d的是公元前28年5月10日的太陽黑子活動(dòng)。

但是太陽在人類的心中是如此神圣、如此完美，以至于在西方太陽黑子長(zhǎng)期被忽視，太陽上不會(huì)有黑點(diǎn)的觀點(diǎn)一直持續(xù)到17世紀(jì)。公元1610年，意大利天文學(xué)家伽利略利用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了太陽黑子，意識(shí)到這是太陽表面非常普遍的現(xiàn)象。不過，這一觀測(cè)結(jié)果與當(dāng)時(shí)的宗教教義相抵觸。從1818年開始才有比較常規(guī)的每日太陽黑子觀測(cè)，從而積累了比較可靠的數(shù)據(jù)資料。

隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)太陽黑子的連續(xù)觀測(cè)資料越來越精確，這讓天文學(xué)家得以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)太陽黑子的特點(diǎn)以及太陽黑子出現(xiàn)、移動(dòng)與消失的規(guī)律。

太陽黑子

伽利略

意大利天文學(xué)家伽利略記錄的太陽黑子

太陽黑子的特點(diǎn)

黑黝黝：

仔細(xì)觀察黑子可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)發(fā)展成熟的黑子是由中心顏色暗黑的部分和其周圍暗黑的部分組成。前者是黑子的本影，后者為黑子的半影。黑子是太陽光球上的低溫區(qū)，本影區(qū)的絕對(duì)溫度在4000℃左右，半影則為5400℃。所以，黑子其實(shí)并不黑，只是因?yàn)樗臏囟缺裙馇虻?，才在明亮的光球背景襯托下顯得黑。黑子的大小不一，最大者可達(dá)地球直徑的兩倍。

超鏈接：太陽黑子分類

太陽黑子分類方法有很多，現(xiàn)在普遍采用的是瑞士蘇黎世天文臺(tái)分類法。

A型：

無半影的單個(gè)小黑子，或幾個(gè)密集的單極群黑子。

B型：

無半影的雙極小黑子。可分前導(dǎo)和后隨兩部分，或前導(dǎo)與后隨聯(lián)結(jié)在一起。

C型：

類似B型的雙極群，但在前導(dǎo)或后隨中，至少有一個(gè)主要黑子具有半影。

D型：

類似B型的極群，前導(dǎo)和后隨各有一個(gè)主要黑子具有半影。整個(gè)群體在東西方向的延伸小于10度。

E型：

類似D型，在東西方向的延伸大于10度，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

F型：

類似E型，在東西方向的延伸大于15度，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。

G型：

只剩下前導(dǎo)和后隨的幾個(gè)大黑子，E型，F(xiàn)型退化了，中間沒有小黑子。

H型：

有半影的單極黑子，直徑大于2.5度，其周圍也會(huì)有衛(wèi)星小黑子。有時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

J型：

有半影的單極黑子，直徑小于2.5度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

上述順序是按照黑子的演變先后排列的，最強(qiáng)時(shí)是E、F型，演變到最后是J型。

蘇黎世太陽黑子分類示意圖

成群結(jié)隊(duì)：

多數(shù)太陽黑子成群結(jié)隊(duì)隨太陽自轉(zhuǎn)移過日面，每群黑子中通常有前導(dǎo)和后隨黑子之分。黑子持續(xù)時(shí)間從幾小時(shí)到數(shù)月不等。前導(dǎo)黑子和后隨黑子的磁極性相反，南、北日球黑子群的極性也恰好相反。

強(qiáng)磁場(chǎng)：

導(dǎo)致黑子溫度低的直接原因是因?yàn)樗陨砭哂袕?qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度約在1000高斯至4000高斯之間，比地球上的磁場(chǎng)強(qiáng)度高上一萬倍。強(qiáng)磁場(chǎng)能夠抑制太陽內(nèi)部能量通過對(duì)流的方式向外傳遞。所以，當(dāng)強(qiáng)磁場(chǎng)浮現(xiàn)到太陽表面時(shí)，該區(qū)域的背景溫度緩慢地從5700℃降到4000℃左右，便會(huì)產(chǎn)生黑子。

周期11年：

1843年，德國(guó)天文愛好者施瓦布通過自己1826年至1843年間的日常黑子觀測(cè)，首次發(fā)現(xiàn)日面上黑子數(shù)量的多少存在11年左右的周期變化。1848年，瑞士天文學(xué)家沃爾夫首次提出用黑子相對(duì)數(shù)（或叫作沃爾夫數(shù)）來表示可見半球黑子的多寡。從長(zhǎng)期的黑子相對(duì)數(shù)記錄可見，黑子相對(duì)數(shù)的平均值明顯表現(xiàn)出11年左右的周期性，最短為9.0年，最長(zhǎng)為13.6年。從黑子數(shù)的多寡以及太陽10.7厘米射電流量的變化，就能很容易看出太陽活動(dòng)的這種周期變化。黑子相對(duì)數(shù)的年均值的極大和極小年份，分別被稱為太陽活動(dòng)的極大年（峰年）和極小年（谷年）。通常，也將黑子相對(duì)數(shù)年均值相對(duì)高的太陽活動(dòng)極大年和其相鄰的幾年，稱為太陽活動(dòng)高年；黑子相對(duì)數(shù)年均值相對(duì)較少的太陽活動(dòng)極小年和其相鄰的幾年，稱為太陽活動(dòng)低年。兩次相鄰極小年之間為一個(gè)太陽活動(dòng)周。

本圖中給出了之前歷年的太陽黑子數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了平滑擬合，給出了之后的太陽黑子數(shù)預(yù)測(cè)（2015年8月以后）。圖中可以根據(jù)曲線的波峰波谷關(guān)系，清晰地看出太陽黑子活動(dòng)的周期性。圖片來源：NASA

蝴蝶舞步：

在每個(gè)太陽活動(dòng)周開始時(shí)，黑子主要出現(xiàn)在南、北緯度約35°處，而在每個(gè)太陽活動(dòng)周結(jié)束時(shí)，黑子通常出現(xiàn)在南、北緯度5°處。以年份為橫軸，而以黑子出現(xiàn)的緯度為縱軸來畫太陽黑子分布圖，在同一活動(dòng)周中黑子的分布形狀就像一只蝴蝶，被稱為蒙德蝴蝶圖。

蝴蝶圖。圖片來源：NASA

本圖是從1983年到2012年空間環(huán)境的匯總示意圖。從上到下依次對(duì)應(yīng)為日均太陽黑子數(shù)、宇宙線、X射線（環(huán)境應(yīng)用靜地衛(wèi)星）、質(zhì)子（環(huán)境應(yīng)用靜地衛(wèi)星）和磁場(chǎng)強(qiáng)度（環(huán)境應(yīng)用靜地衛(wèi)星）的分布及變化，由此也可看出太陽黑子數(shù)與宇宙線等的相關(guān)性。圖片來源：Daniel Wilkinson

超鏈接：太陽磁場(chǎng)

和我們的地球有自己的磁場(chǎng)一樣，太陽也有自己的磁場(chǎng)，正是因?yàn)橛写艌?chǎng)的存在，才產(chǎn)生了太陽黑子及其周期變化。太陽磁場(chǎng)是由其中流動(dòng)的電離氣體產(chǎn)生的。高度電離的氣體是電的良導(dǎo)體，當(dāng)導(dǎo)電氣體旋轉(zhuǎn)或是被攪動(dòng)時(shí)，氣體的運(yùn)動(dòng)勢(shì)能便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?。這個(gè)過程稱為發(fā)電機(jī)效應(yīng)。太陽氣體運(yùn)動(dòng)與磁場(chǎng)關(guān)聯(lián)的另一個(gè)重要因素來自于太陽自轉(zhuǎn)。由于太陽整體由氣體組成，因此，太陽的自轉(zhuǎn)并不是一個(gè)剛體整體旋轉(zhuǎn)。比如，太陽赤道區(qū)域的自轉(zhuǎn)周期就比高緯度區(qū)域的自轉(zhuǎn)周期短。光球?qū)釉诔嗟啦糠中D(zhuǎn)一圈約24.5天，而緯度45度位置上旋轉(zhuǎn)一圈需要27.8天。這種現(xiàn)象稱為“較差自轉(zhuǎn)”。而且位于不同層次的氣體自轉(zhuǎn)周期也不一樣，這是另一種形式的“較差自轉(zhuǎn)”。這兩種“較差自轉(zhuǎn)”，取決于緯度和深度，都影響著太陽磁場(chǎng)的活動(dòng)周期。

a.光球?qū)拥某嗟啦糠直雀呔暥炔糠洲D(zhuǎn)動(dòng)快b.日震技術(shù)顯示出太陽內(nèi)部的較差自轉(zhuǎn)。紅色部分代表轉(zhuǎn)動(dòng)較快區(qū)域，藍(lán)色部分代表轉(zhuǎn)動(dòng)較慢區(qū)域，可見內(nèi)部的大氣從赤道部分運(yùn)行到兩極之后又返回赤道。圖片來源： Foundations of Astronomy

太陽磁場(chǎng)周期，為簡(jiǎn)單起見圖中只展示一條磁力線，因較差自轉(zhuǎn)赤道處磁力線運(yùn)動(dòng)快，較其他位置更為領(lǐng)先，隨著太陽的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁力線甚至已繞其一周，較差自轉(zhuǎn)使得磁力線將太陽包裹，一旦紛雜錯(cuò)亂的磁力線環(huán)頂出太陽表面便產(chǎn)生黑子。

圖中顯示的是最簡(jiǎn)單的黑子對(duì)。在黑子群中前導(dǎo)黑子和后隨黑子具有相反的磁性，而且南半球的黑子群與北半球的黑子群磁性相反。

太陽黑子的幕后推手

太陽磁場(chǎng)是黑子形成的根本原因。由天文學(xué)家巴布科克（Horace W. Babcock）提出的“巴布科克模型”解釋了磁場(chǎng)周期變化和太陽黑子形成的原因。電離氣體是電的良導(dǎo)體，如果氣體運(yùn)動(dòng)，其中的電流與磁場(chǎng)便會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)。磁場(chǎng)便在其中被捻成繩狀軟管的結(jié)構(gòu)，較差自轉(zhuǎn)便會(huì)拖著磁場(chǎng)這根長(zhǎng)長(zhǎng)的軟管繞在太陽表面這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的“輪子”上。當(dāng)這些繩狀磁場(chǎng)沖出太陽表面時(shí)，便形成了成對(duì)的太陽黑子。

成對(duì)出現(xiàn)的黑子周圍的磁場(chǎng)類似于一根條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)，一端是磁南極，一端是磁北極。這個(gè)現(xiàn)象正對(duì)應(yīng)了“巴布科克模型”磁管結(jié)構(gòu)的解釋，當(dāng)磁管從太陽表面穿出時(shí)形成一個(gè)黑子，穿回時(shí)形成另一個(gè)。在任何情況下，太陽赤道以南的太陽黑子對(duì)極性（磁極方向）都與太陽赤道以北的黑子對(duì)極性相反。例如，太陽赤道以南的黑子對(duì)跟著磁南極運(yùn)動(dòng)，而太陽赤道以北的黑子對(duì)則跟著磁北極運(yùn)動(dòng)。11年運(yùn)動(dòng)周期過后，黑子對(duì)的磁極便會(huì)反轉(zhuǎn)一次。

“巴布科克模型”也解釋了太陽磁場(chǎng)周期循環(huán)的原因。當(dāng)太陽磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)糾纏越來越密集時(shí)，太陽附近的每個(gè)點(diǎn)都被磁場(chǎng)影響，磁極方向都會(huì)不同。隨著多年的纏繞，這種情況會(huì)變得越來越復(fù)雜。一些弱的磁南極和磁北極便會(huì)被周圍強(qiáng)的磁極順化變整齊。整個(gè)區(qū)域便會(huì)被整理排列為簡(jiǎn)單的分布狀態(tài)，太陽黑子的數(shù)量也就隨即變少接近消失，結(jié)束這一周期。然后，較差自轉(zhuǎn)和對(duì)流活動(dòng)又會(huì)擾動(dòng)磁場(chǎng)開始新的周期循環(huán)。在接下來新的周期中，磁極方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。因此，只看黑子數(shù)量的話，是11年一個(gè)周期，但如果考慮磁場(chǎng)方向的話，則是22年一個(gè)周期。