太陽“發(fā)脾氣”為何還有個(gè)周期？

唐芳

科學(xué)家普遍認(rèn)為，太陽活動(dòng)周期大約為11年。太陽活動(dòng)周期不僅是太陽上黑子出現(xiàn)多少的周期性體現(xiàn)，更是太陽向周圍空間釋放能量、太陽爆發(fā)活動(dòng)，以及太陽風(fēng)暴發(fā)生的周期性展現(xiàn)。

據(jù)悉，中國首顆綜合性太陽探測專用衛(wèi)星“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”（ASO-S）將于今年10月?lián)駲C(jī)發(fā)射。利用第25個(gè)太陽活動(dòng)周的契機(jī)，ASO-S以“一磁兩暴”為科學(xué)目標(biāo)，對太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射和全日面矢量磁場開展同時(shí)觀測，為嚴(yán)重影響人類正常生活的空間災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)提供支持。

“目前我們處在第25個(gè)太陽活動(dòng)周的上升期，太陽活動(dòng)日益頻繁。今年下半年是對太陽開展系統(tǒng)深入觀測的最佳窗口期之一?！敝袊茖W(xué)院國家天文臺(tái)研究員譚寶林對記者表示。

科學(xué)家普遍認(rèn)為，太陽活動(dòng)周期大約為11年。那么科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律的？太陽活動(dòng)為什么會(huì)有周期性？太陽活動(dòng)周期對于太陽科學(xué)觀測和日常生活有何影響？

從太陽黑子記錄中找規(guī)律

太陽平日里并不“安靜”。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員顏毅華介紹，太陽上會(huì)出現(xiàn)黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射等太陽爆發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致的瞬變現(xiàn)象。此外，太陽還會(huì)持續(xù)不斷地往外“吹”出高溫帶電粒子流，即太陽風(fēng)。

“太陽黑子是太陽活動(dòng)的基本標(biāo)志?！弊T寶林說，黑子像太陽“臉上的痣”。但實(shí)際上，一個(gè)中等黑子的大小就和地球差不多，而且黑子本身并不黑，只是溫度比太陽光球?qū)拥投@得黑?，F(xiàn)有研究表明，黑子的這種低溫是強(qiáng)磁場所致，其磁場強(qiáng)度大約比地球磁場大1萬倍。

太陽活動(dòng)周期不僅是太陽上黑子出現(xiàn)多少的周期性體現(xiàn)，更是太陽向周圍空間釋放能量、太陽爆發(fā)活動(dòng)，以及太陽風(fēng)暴發(fā)生的周期性展現(xiàn)。

1610年，意大利天文學(xué)家伽利略用天文望遠(yuǎn)鏡觀測到了太陽黑子。到了1851年，德國天文學(xué)愛好者施瓦貝通過17年的連續(xù)觀測及繪圖，發(fā)現(xiàn)太陽黑子數(shù)存在10年左右的周期。

受施瓦貝的啟發(fā)，瑞士蘇黎世天文臺(tái)臺(tái)長沃爾夫經(jīng)過分析整理，獲得了超過250年的太陽黑子記錄。沃爾夫發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽黑子數(shù)或黑子群增多時(shí)，太陽活動(dòng)現(xiàn)象如日珥、耀斑等也相應(yīng)地增強(qiáng)。因此，沃爾夫提出，太陽黑子數(shù)可以代表太陽活動(dòng)的平均水平。

沃爾夫還觀測到，太陽黑子數(shù)隨時(shí)間呈周期性變化，短則9年，長則接近14年，平均約為11.1年。他將1755年至1766年命名為第1個(gè)太陽活動(dòng)周。據(jù)此，目前我們處在第25個(gè)太陽活動(dòng)周的上升期。

2011年2月24日，在太陽邊緣附近發(fā)生了一次中等大小的太陽耀斑。圖片| NASA/SDO

隨后，德國天文學(xué)家斯波勒發(fā)現(xiàn)，太陽黑子出現(xiàn)的緯度位置隨太陽活動(dòng)周也呈現(xiàn)出周期性變化，這就是斯波勒定律。每一個(gè)太陽活動(dòng)周開始時(shí)，黑子出現(xiàn)在太陽南北半球緯度30度至45度附近，隨著太陽活動(dòng)周的發(fā)展，黑子逐漸向赤道靠近。在太陽活動(dòng)周的極大年（黑子數(shù)量最多的年份），黑子群主要出現(xiàn)在太陽南北緯15度附近;而在活動(dòng)周的末期，黑子群則主要出現(xiàn)在太陽南北緯8度附近。

1904年，英國天文學(xué)家蒙德夫婦將太陽黑子在日面緯度的分布變化過程繪制成圖，圖中的太陽黑子分布呈蝴蝶狀。

顏毅華介紹，1908年，美國天文學(xué)家海耳發(fā)現(xiàn)太陽黑子是太陽上的強(qiáng)磁場區(qū)域，第一次證實(shí)了宇宙天體中磁場的存在，也揭示了太陽活動(dòng)是由太陽磁場引發(fā)的。

太陽活動(dòng)周期還無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)

驅(qū)動(dòng)太陽產(chǎn)生磁周期的原因是什么？這一問題被《科學(xué)》雜志列為125個(gè)最前沿的科學(xué)問題之一。

“恒星尺度上的磁場如果自然衰減，需要100多億年的時(shí)間。但是太陽南北兩個(gè)半球的黑子磁極是相反的，還存在22年的磁極轉(zhuǎn)換周期，即每11年磁場極性反轉(zhuǎn)一次。這顯示太陽不是一顆普通的恒星，它的磁場不是自然衰減?！鳖佉闳A說。

為揭示太陽磁場的起源，1955年，美國天體物理學(xué)家帕克提出太陽發(fā)電機(jī)理論。譚寶林解釋說，太陽是一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的等離子體“大火球”，等離子體是良導(dǎo)體，其內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有可能在局部區(qū)域形成電流，而電流又可以形成感生磁場，這個(gè)過程被形象地稱為太陽發(fā)電機(jī)過程。太陽發(fā)電機(jī)理論是解釋地球、太陽和其他天體磁場起源的理論基礎(chǔ)。

“太陽發(fā)電機(jī)理論不僅能說明太陽磁場的起源，而且能解釋22年的磁周期，還與黑子‘蝴蝶圖的緯度分布以及觀測結(jié)果能夠較好地吻合。但是該理論目前尚不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)太陽活動(dòng)的周期，無法解釋太陽黑子呈現(xiàn)的各種周期以及周期的不規(guī)則性?！鳖佉闳A指出。

上世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家巴布科克父子和萊頓等人提出了一種早期太陽發(fā)電機(jī)模型：太陽較差自轉(zhuǎn)、太陽偶極磁場、子午環(huán)流三者之間的相互作用，造成了太陽活動(dòng)的周期性，該模型被稱為巴布科克—萊頓模型。之后一些天文學(xué)家在該模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬，能對一些太陽活動(dòng)周期進(jìn)行半定量的預(yù)測。

譚寶林介紹，巴布科克—萊頓模型基于太陽的3個(gè)基本事實(shí)，第一個(gè)是太陽上存在較差自轉(zhuǎn)，即太陽不同緯度處的自轉(zhuǎn)周期不同，太陽赤道附近的自轉(zhuǎn)較快，周期大約是27天，隨著緯度的增加，自轉(zhuǎn)逐漸變慢，在南北緯度45度附近，自轉(zhuǎn)周期大約為31天，到兩極地區(qū)，自轉(zhuǎn)周期接近40天左右。

第二，在太陽寧靜區(qū)（沒有黑子的區(qū)域）和兩極地區(qū)均存在較弱的磁場，并且太陽南北半球磁場方向相反。

第三，太陽對流層中存在子午環(huán)流，即太陽表面的物質(zhì)從赤道向極區(qū)流動(dòng)，而在太陽對流層底部的物質(zhì)則從極區(qū)向赤道流動(dòng)，形成閉合環(huán)流，這種現(xiàn)象被稱為太陽子午環(huán)流。

但在譚寶林看來，發(fā)電機(jī)模型仍然是半定量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，人們至今都無法從理論上準(zhǔn)確解釋到底是哪些物理因素決定了太陽活動(dòng)周期的長度和發(fā)生時(shí)間，以及為什么太陽活動(dòng)周期大約是11年。

我國第一顆綜合性太陽探測衛(wèi)星——先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)（ASO-S），將揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射（“一磁兩暴”）的形成及相互關(guān)系。

對衛(wèi)星及電網(wǎng)系統(tǒng)造成破壞

譚寶林指出，太陽活動(dòng)周期不僅是太陽上黑子出現(xiàn)多少的周期性體現(xiàn)，更是太陽向周圍空間釋放能量、太陽爆發(fā)活動(dòng)，以及太陽風(fēng)暴發(fā)生的周期性展現(xiàn)。

“研究太陽活動(dòng)周期將對許多學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生重要影響?！弊T寶林表示，對太陽活動(dòng)周的起源研究，將幫助我們更好地理解太陽以及宇宙中與太陽類似的眾多恒星的形成與演化過程。

此外，對太陽活動(dòng)周的研究還有助于更好地預(yù)測未來空間天氣活動(dòng)的發(fā)展趨勢，提前獲悉未來太陽爆發(fā)活動(dòng)及太陽風(fēng)暴可能發(fā)生的情況。

“對太陽活動(dòng)周的研究還可能直接推動(dòng)等離子體物理、流體物理和天體物理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，甚至對工程技術(shù)方面也會(huì)產(chǎn)生重要影響?！弊T寶林說。

太陽活動(dòng)周對于普通人的生活影響大嗎？顏毅華表示，一般情況下并不算大，甚至沒有直接的影響。但是，太陽活動(dòng)會(huì)對衛(wèi)星系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)等產(chǎn)生非常顯著的影響，甚至?xí)ζ湓斐蓢?yán)重破壞，從而間接影響人們的生活。比如導(dǎo)致手機(jī)信號變?nèi)趸騺G失、無法使用導(dǎo)航等。

例如，1859年的卡林頓太陽耀斑事件嚴(yán)重破壞了當(dāng)時(shí)的全球電報(bào)網(wǎng)絡(luò)，讓人類第一次認(rèn)識(shí)到太陽活動(dòng)對地球空間環(huán)境的影響;1989年3月，狂暴的日冕物質(zhì)拋射引發(fā)了極強(qiáng)的地磁爆，導(dǎo)致加拿大魁北克省電網(wǎng)在90秒內(nèi)全面癱瘓，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約5億美元;2003年10月的重大太陽活動(dòng)事件，造成全球范圍短波通信中斷，超視距雷達(dá)、民航通信中斷，瑞典電網(wǎng)中斷1小時(shí)，全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航出現(xiàn)故障，多顆科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失等。

此外，中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任袁嵐峰表示，太陽黑子的長期變化還和地球氣候密切相關(guān)。例如，1300年至1850年是一個(gè)小冰河時(shí)期，當(dāng)時(shí)太陽的活動(dòng)就顯著弱于后續(xù)年代的平均水平。

◎ 來源|科技日報(bào)