誰是太陽活動的“幕后推手”

劉園園

黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射……太陽以各種不同的方式展現(xiàn)著自身強大的能量，你可知道——

說起地球磁場，我們立即會想到一幅典型畫面：一根根規(guī)則的磁力線連著南極和北極，像個圓形的籠子把地球罩在里面。

但是，太陽磁場可就大不同了。

前不久，中國科學技術(shù)大學教授劉睿等人在《自然·通訊》雜志上發(fā)表論文，揭示了“太陽磁繩”的結(jié)構(gòu)和形成過程。

太陽磁繩聽起來有點陌生，其實它是由一組螺旋形的磁力線組成。如果你看一張?zhí)柎帕€的示意圖，會發(fā)現(xiàn)這些磁力線亂七八糟，極不規(guī)則。而這正與太陽磁場的特點有關(guān)。

1 磁場：太陽

活動的源動力

“磁場是引起太陽活動的一個根本原因，可以說，太陽上所有的活動都是磁活動?！鄙钲谑刑煳呐_鄭建川博士介紹。

太陽物質(zhì)是等離子體，整個太陽就是一個等離子體球。鄭建川說，這些等離子體會和太陽內(nèi)部產(chǎn)生的磁場相互作用，呈現(xiàn)不同的運動形式。磁場越強，運動越劇烈。

所以，太陽磁場是黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等各種太陽爆發(fā)活動的幕后推手。用中科院國家天文臺張枚研究員的話說，科學家一般認為太陽風暴的驅(qū)動能量都來源于太陽磁場。

“黑子就是太陽磁場的一種體現(xiàn)形式?！编嵔ùń榻B，科研人員觀測到有太陽黑子的地方，往往磁場強大，能夠達到千高斯量級。而地球磁場不過幾高斯而已，也就是說，太陽磁場強度是地球磁場的上千倍。

科研人員可以在太陽的光球?qū)佑^測黑子，而耀斑和日冕物質(zhì)拋射則出現(xiàn)在日冕層。當太陽的能量聚集到一定程度，就會出現(xiàn)局部突然增亮，即耀斑。然后高能粒子會從日冕層拋射出來，也就是出現(xiàn)日冕物質(zhì)拋射。

“耀斑和日冕物質(zhì)拋射等，主要是太陽上的磁能轉(zhuǎn)化為熱能和高能粒子的動能?！编嵔ùㄕf。

太陽磁場活動與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。鄭建川舉例說，太陽磁場活動引發(fā)的耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽劇烈活動，會向宇宙空間拋射大量高能粒子。人類宇航員如果在此期間從太空飛船上出艙工作，會出現(xiàn)生命危險。

而且這些高能粒子還會對地球上的電力、通訊造成巨大干擾。1989年的太陽耀斑爆發(fā)事件，就曾導致加拿大大范圍的電網(wǎng)癱瘓。

2 磁繩：研究太陽磁場的重要線索

作為太陽磁場的重要體現(xiàn)形式，黑子往往在太陽的南北半球成對出現(xiàn)。其中一個黑子的磁力線從日面指向太陽之外，這是磁場的正極，另外一個黑子的磁力線從日面指向日心，代表磁場的負極。

一個完整的太陽黑子包含本影和半影。本影就是黑子最黑和最中心的地方。本影之外，不那么黑，并有一些纖維的結(jié)構(gòu)叫做半影。

“本影區(qū)域，它的磁力線方向也就是磁場的方向基本是垂直于日面的?！编嵔ùń榻B，在半影區(qū)域，越是靠近黑子邊緣，磁力線就越傾斜。到最邊緣的地方，幾乎與日面平行。

太陽上到處都有磁場，只要存在黑子活動區(qū)，就會看到磁力線的進進出出，如此一來，就會看到太陽上的磁力線雜亂無章地分布于整個日面上。

太陽中的等離子體劇烈運動，磁場也十分活躍。因此這些磁力線并不會乖乖靜止在太陽表面。而是會像繩子一樣一束一束地扭纏在一起，這就是所謂的“太陽磁繩”。

鄭建川介紹，太陽磁繩扭纏在一起，能量聚集到一個臨界點后，就會把磁場的能量轉(zhuǎn)化為熱能或動能，出現(xiàn)太陽爆發(fā)活動比如耀斑或日冕物質(zhì)拋射。

而磁繩扭纏方式的不同，或者運動方式的不同，太陽爆發(fā)活動的級別或形式也會有所不同。因此，太陽磁繩就會成為研究太陽磁場的重要線索。

另外，太陽磁繩或許還可以用來解釋太陽上的磁重聯(lián)現(xiàn)象。所謂磁重聯(lián)，就是太陽表面的磁力線會出現(xiàn)斷開，之后又重新聯(lián)上的現(xiàn)象。

3 磁極：每11年反轉(zhuǎn)一次

通過研究黑子，科研人員獲悉了太陽磁場的很多特征。

鄭建川介紹，黑子并不是均勻分布在太陽表面，它們在靠近赤道的區(qū)域比較密集，越往高緯度越少，整體出現(xiàn)在太陽的南緯60°到北緯60°之間。

而且，太陽上的磁極每隔11年就會出現(xiàn)一次反轉(zhuǎn)?！斑@11年內(nèi)，太陽活動也會出現(xiàn)變化，也就是有太陽活動峰年和谷年。峰年太陽活動最頻繁，谷年則太陽活動最少?！编嵔ùㄕf。

如果以時間為橫軸，以太陽的南北緯度為縱軸，畫出太陽上黑子的分布，就會發(fā)現(xiàn)每個11年內(nèi)，黑子都是剛開始比較少，慢慢增多，然后再減少。另外，無論是太陽的南半球，還是北半球，黑子活動區(qū)域都會逐漸從高緯度向赤道靠近。這樣太陽上的黑子活動區(qū)形成了蝴蝶圖案，每隔11年就會出現(xiàn)一只“蝴蝶”。

“這兩年太陽活動比較少，正處于太陽活動的谷年，整個日面的黑子數(shù)量都很少?！编嵔ùㄕf，而2013年和2014年是太陽活動的峰年，太陽活動相對比較劇烈。

至于為什么太陽磁場每隔11年就會反轉(zhuǎn)一次，又要談到解釋太陽磁場的“發(fā)電機理論”。

鄭建川介紹，太陽“發(fā)電機理論”認為，太陽磁場是在對流區(qū)底部產(chǎn)生，由于太陽的較差自轉(zhuǎn)和磁浮力的作用，磁場浮現(xiàn)在太陽表面形成黑子區(qū)域。隨著活動區(qū)的演化，在子午環(huán)流的作用下，后隨黑子磁場逐漸被輸運到極區(qū)之后又沉入太陽內(nèi)部，進入下一個活動周，實現(xiàn)磁極性反轉(zhuǎn)。

4 磁場來源：仍是未解之謎

鄭建川告訴筆者，目前對于太陽磁場的研究，主要有理論和觀測兩種方式，對太陽磁場的觀測已經(jīng)涵蓋各個波段。關(guān)于太陽磁場，還有很多未解之謎有待揭開。

比如，太陽磁場到底是如何產(chǎn)生的？

“雖然有太陽磁場‘發(fā)電機理論對此進行解釋，但是對太陽的觀測主要停留在太陽表面，然后通過模擬、計算來推測內(nèi)部的情況?！编嵔ùㄕf，比如太陽磁場每隔11年就會反轉(zhuǎn)，說明太陽磁活動周期為22年，這可以通過觀測直接得到，但是為什么會有22年的周期還有待進一步研究。

另外，科研人員還十分感興趣的問題是，太陽表面的溫度是6000多攝氏度，但是日冕的溫度卻是幾百萬攝氏度。太陽的能量來自太陽的核心，既然太陽的表面是6000多攝氏度，為何更靠外的日冕卻突然增高如此之多？這也是一個有待回答的問題。

“科學家一般認為，大部分恒星都是有磁場的?！睆埫陡嬖V筆者，通過研究太陽磁場，科研人員可以推測其他恒星的磁場情況。