太陽黑子數(shù)的秘密

宋喬

太陽黑子的發(fā)現(xiàn)與記錄

早在2000多年前，中國古人就有明確的太陽黑子記錄。《漢書·五行志》中記載“成帝河平元年（公元前28年）……三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央”。古代歐洲因為觀念等原因，缺乏早期的太陽黑子記錄。直到公元17世紀(jì)，隨著望遠鏡的發(fā)明，歐洲人才開始對太陽黑子的數(shù)量、位置等進行系統(tǒng)地觀測和記錄。

?2019年1月6日早晨，山東石島的太陽Hα望遠鏡拍攝的日食圖像——圖中左上角太陽因為月球的遮擋而缺了一小塊

意大利天文學(xué)家伽利略日復(fù)一日地觀測太陽，手繪了太陽圓面上黑子的圖像，通過比較不同日期的圖像，伽利略發(fā)現(xiàn)黑子們在太陽上的位置有規(guī)律地變化著，從而正確推斷出黑子不是太陽和地球之間或者地球大氣中的某種云朵，而是太陽表面的真實特征。到了19世紀(jì)，德國天文學(xué)家海因里?！な┩哓悓μ柡谧舆M行了長達幾十年的觀測和記錄，發(fā)現(xiàn)日面上黑子的數(shù)目會周期性的增加和減少。

20世紀(jì)初，隨著電磁學(xué)、原子物理等學(xué)科的發(fā)展，太陽黑子的物理本質(zhì)逐漸顯露出來。美國天文學(xué)家喬治·海爾發(fā)明了一種新儀器，可以測量太陽上的磁場，他發(fā)現(xiàn)太陽黑子的磁場非常強，比地球磁場要強幾千倍?，F(xiàn)在我們知道，正是黑子的強磁場抑制了熱對流，使得黑子的溫度低于周邊，于是就顯得比較黑。黑子數(shù)的周期性變化反映了太陽磁場的變化，導(dǎo)致了太陽表面活動的強弱變化，所以這種周期性變化被稱為太陽活動周。

第24太陽活動周

通過400余年的太陽黑子觀測記錄，我們得知太陽活動周的長度大致為11年（較短的活動周只有約9年，較長的活動周可以持續(xù)近14年）。在一個太陽活動周中，黑子數(shù)最多的年份被稱為太陽活動極大年（或者峰年），黑子數(shù)最少的年份被稱為太陽活動極小年（谷年）。在太陽活動極大時，日面上有很多黑子，此時的黑子數(shù)常常用來代表太陽活動周的強弱，強活動周的黑子數(shù)可以接近300，弱的活動周則只有不到100。當(dāng)太陽活動進入極小期，日面上常常一個黑子也沒有。從極小到極大，黑子數(shù)逐漸增加，被稱為活動周上升相;從極大到極小，黑子數(shù)逐漸減少，被稱為活動周下降相。

現(xiàn)在我們正處于第24太陽活動周的尾巴上（第一個太陽活動周從1755年初開始），而它明顯比它的幾個前輩要偏弱一些，最大黑子數(shù)只有第21周的一半左右。盡管第24活動周整體偏弱，但也有很大、很活躍的黑子群存在。

2014年10月下旬，正值太陽活動極大期，日面上出現(xiàn)了一個巨大的黑子群（如下圖所示）。這個黑子群實際尺寸比地球還要大，只有太陽系最大的行星—木星—才能和它相比較。圖上黑色的帶狀結(jié)構(gòu)是太陽暗條，其長度可以比黑子群還大，往往有幾十個地球直徑那么長。暗條爆發(fā)可能會導(dǎo)致日冕物質(zhì)拋射等，也可能會對地球磁場和電離層等造成影響。

2017年9月初，太陽處于第24活動周下降相階段，在短短的一天里，一個活躍的黑子群（AR 12673）在日面上迅速成長起來。它的面積雖然不是很大，但結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，產(chǎn)生了大量的爆發(fā)活動，其中包括第24活動周最強耀斑和速度高達上千千米每秒的日冕物質(zhì)拋射，這些爆發(fā)活動對地球造成了一系列的影響，導(dǎo)致了地磁暴、太陽質(zhì)子事件等空間天氣事件。

?2014年10月23日，石島Hα望遠鏡拍攝的太陽圖像。中間偏下位置的黑色斑點是一個巨大的黑子群（AR12192）

?國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心在新疆溫泉縣安裝的太陽磁場望遠鏡（左）拍攝的全日面磁圖（右），磁圖上的白色和黑色分別代表正極和負(fù)極的磁場結(jié)構(gòu)

?2017年9月4日～13日，風(fēng)云4A衛(wèi)星監(jiān)測的地球同步軌道高能質(zhì)子通量。由于耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽爆發(fā)活動造成高能質(zhì)子通量顯著升高，產(chǎn)生了太陽質(zhì)子事件

太陽活動周的預(yù)測

站在第24太陽活動周的尾巴上，不少人開始預(yù)測下一個活動周—第25活動周的情況?；顒又茴A(yù)測的方法比較多，比如有人用數(shù)學(xué)方法分析近幾十、幾百年的黑子數(shù)變化，想要從數(shù)字當(dāng)中找到太陽活動周演化的規(guī)律;也有人對太陽活動的物理本質(zhì)進行研究，通過對太陽極區(qū)磁場、子午流等的觀測和計算來確定下一個活動周的強弱。但是，不同方法預(yù)測的結(jié)果常常是不同的，與最終的實測結(jié)果往往也有差別，因此要想更加精確、可靠地預(yù)測太陽活動周，還需要更好的觀測數(shù)據(jù)和更深入的科學(xué)研究。

知識鏈接：

太陽活動周的長度約為11年，其中太陽活動極小期一般只有幾年時間。然而，從1645年到1715年，長達70年的時間里，太陽好像變得不活躍了，日面上很難看到黑子的蹤影，仿佛一直處于太陽活動極小期中，這段黑子數(shù)異常少的時期被稱為蒙德極小期。當(dāng)然，黑子數(shù)異常少并不是說太陽本身休眠了，黑子的減少意味著太陽表面的活動變?nèi)趿?，但是太陽中心的核聚變反?yīng)仍然照常進行，所以在蒙德極小期，太陽也不斷地發(fā)光發(fā)熱。