太阳活动周:太阳黑子活动周-中文百科频道

发现

1843年，德国业余天文学家、药剂师施瓦贝最先发现了太阳活动周期变化。

从1826年到1843年的十七年间，他用一架小望远镜注视太阳，并专注描绘黑子。在这些年的详细观测中，施瓦贝发现，每经过大约10年，就会出现黑子数目增加的现象，经过了极大期，太阳黑子数又进入极小期，太阳表面几乎没有黑子。这样，大约每隔10年就是一个太阳活动周。1843年，施瓦贝把一篇题为《1843年间的太阳观测》的论文，投到德国《天文通报》，起初并未被发表，直到1851年，施瓦贝的发现才被公之于世。

19世纪中期，时任瑞士苏黎世天文台台长的沃尔夫读了施瓦贝发表的论文后，开始用望远镜观测太阳黑子。此外，他还搜集整理了此前太阳黑子的观测资料，其中包括伽利略及其同时代观测者留下的。经过整理，可供研究使用的每日太阳黑子数的记录可推前至1749年，年平均值的数据可推前至1610年。

沃尔夫在搜集整理太阳黑子数观测资料的过程中，为使不同观测台站以及不同人的太阳黑子观测资料具有可比性，于1848年提出了“太阳黑子相对数”的概念。具体表示为R=K(10g+f)，式中R为黑子相对数，g为日面上观测到的黑子群数目，f为观测到的单个黑子的总数，K为转换因子。K值可随观测者所在地点、所用仪器、观测方法、观测技术和天气能见度而异。“太阳黑子相对数”可以通过观测到的单个黑子数、黑子群数，以及表征观测时的天气和所用的仪器等因素的系数来计算。当然，这个参量只能表示太阳对着地球这一可见日面上黑子的活动情况。

经过几年仔细观测和精心的资料整理，沃尔夫最终发现太阳黑子数的平均变化周期为11.1年。其中，观测到的最短黑子周期为9年，最长黑子周期为14年。沃尔夫提出将太阳黑子数从一个极小到另一个极小值之间的时间定为一个周期，并将1755年至1766年的周期定为第1个太阳活动周。

19世纪中期，英国天文爱好者卡林顿也热衷于观测太阳黑子。卡林顿追踪太阳黑子在整个为期11年的活动周期内的变化，发现不仅黑子的数量产生变化，而且黑子分布的位置也会向太阳的赤道移动。

同一时间，与卡林顿一样进行太阳周期规律研究的还有德国天文学家斯波勒。

经过长期观测，斯波勒发现在新的太阳活动周开始时，黑子群出现的位置分别在太阳南北半球纬度30°至45°附近，随着太阳活动周的进展，黑子群出现的纬度位置逐渐向赤道靠近。在太阳活动极大年附近，黑子群出现在15°附近；在太阳活动周的末尾，黑子群出现在8°附近。在每个太阳活动周即将结束时，新周期的黑子群已经开始在高纬度出现，旧太阳活动周的黑子群仍在低纬度出现。新周期和旧周期黑子群同时出现的局面大约可持续一年左右的时间。太阳黑子出现纬度的位置随太阳活动周发展而变化的规律，称为斯波勒定律。

英国天文学家爱德华·瓦尔特·蒙德和他的妻子安妮·蒙德经过二十多年的精心观测，在二十世纪初将观测数据绘制成图。以时间为横坐标，以黑子群出现的纬度为纵坐标，这样就得到了能够形象展示斯波勒定律的所谓“蒙德蝴蝶图”。太阳活动周的黑子群出现位置分布变化非常像一队展开翅膀飞翔的蝴蝶。

磁活动周发现

20世纪初，美国著名天文学家海尔利用物理方法首次测得太阳黑子的磁场，在经过十多年的观测后，发现：

1.在一个固定的11年太阳活动周期内，太阳南半球或北半球同一个半球中，所有双极黑子的磁场极性分布都相同。也就是说所有的前导黑子磁场相同，后随黑子同前导黑子的极性相反。

2.同一个活动周内，太阳南半球和北半球的双极黑子的磁场极性分布相反。

3.当下一个11年活动周来临时，太阳南北两个半球的双极黑子的磁场极性发生对换。

因此按照海尔的黑子磁场变换规律，太阳黑子变化一个完整的周期需要大约22年，这就是太阳活动的海尔定律。

成因

20世纪中期，美国天文学家巴布科克同父亲老巴布科克一起，借助研制的太阳磁像仪测量黑子的磁场以及黑子区域以外的整个太阳表面的普遍磁场。经过长时期的观测，他们发现了两条重要特性：

1.太阳两极区存在微弱的磁场，南北极区的磁场极性相反，很像条形磁铁的磁场，他们在太阳活动极大年附近发生极性互换。

2.大多数日面双极活动区的磁场通量大致平衡，活动区的磁场主要依靠扩散减弱，双极区一部分磁场向极区扩散，另一部分向赤道扩散。

在这些观测基础上，结合对太阳内部物质运动和性质的研究，1961年巴布科克提出了解释太阳周期活动起源的经验模型，即“巴布科克模型”。模型的实质是太阳偶极磁场与太阳较差自转相互作用造成太阳活动的周期性。之后的一些天文学家在巴布科克的基础上，将解释太阳周期性活动的研究推进到严格的理论水平。

1969年美国天文学家莱顿在巴布科克模型的基础上，提出了半经验模型。莱顿主要是在磁场扩散方面进行了模拟计算。

在巴布科克提出自己的经验模型的时候，一些天文学家就已经从理论上探讨太阳活动周的问题。随后逐渐形成了解释太阳活动周的太阳发电机理论，这一理论建立在严格的磁流体力学基础之上。在这以前物理学家已经认识到，运动导体通过感应能够产生磁场是自激发电机的工作原理，太阳活动周的磁周期本性使科学家自然地想到太阳体内存在自激发电机的可能。目前太阳发电机理论方面的研究认识太阳物理研究的活跃领域。

决定太阳活动周期的新线索

每隔大约11年，太阳会发生一次彻底的人格变化，从宁静变为剧烈的活跃。太阳活动的顶峰叫做太阳极大年，此时有无数的黑子，间以猛烈的爆发，将辐射与太阳粒子送到太空深处。

然而太阳活动周的时间确定很不精确。自从人类在17世纪开始规律地记录黑子以来，两个太阳峰年之间的间隔可以短至9年，长至14年，这样就使得确定其成因变得很困难。现在研究者发现了一种可以用于跟踪太阳活动周期的新标识——亮点。它们是太阳大气中明亮的小点，可以让我们观测太阳内部持久沸腾的物质。这样的标识提供了新的方法，可以观察这颗距离我们最近的恒星上磁场演化和运动方式。它们还说明，也许我们需要对已有的神秘活动周驱动理论进行很大的修正。

在历史上，解释太阳内部活动驱动太阳活动周的理论只能依靠一种观测，也就是黑子，这样的数据记录已经持续了数个世纪，在过去的几十年里，研究者意识到黑子是强磁场所在的区域，他们还从超过9000万英里之外留下了对太阳磁场的观测测量。

来自科罗拉多州玻尔得（Boulder）美国国家大气研究中心的空间科学家斯科特·麦金托什（ScottMcIntosh）说：“太阳黑子一直以来都是长期的标识，可以帮助我们了解支配太阳内部的机制。但是我们并没有很好地了解黑子的成因，就更不要提支配其迁移并驱动其运动的机制了。现在我们在太阳大气中可以看到亮点的存在，我们就好像是浮标一般，与更深层发生的事件相连。它们帮助我们发展出了太阳内部的不同图景。”麦金托什是描述相关结果的论文的第一作者，文章发表在2014年9月1日的《天体物理学报》杂志上。

在一个太阳活动周内，黑子一般会逐渐向低纬度区域迁移，朝赤道移动。主导的理论是认为，在太阳两半球存在两个对称的巨型物质环，它们就好像是巨型传送带一般，从极区扫向赤道，并在那里沉入太阳内部的深处，然后稳定地返回极区。这样的传送带还让磁场穿过翻涌的太阳大气。该理论认为，太阳黑子是与物质流同步运行的，通过跟踪黑子可以对这一物质流进行研究，基于这样的进展，人们发展了太阳活动周的理论。但是还有很多东西仍旧不为人知：为何黑子只会在纬度低于30度左右的区域出现？是什么让连续活动周的黑子突然将磁场极性从正转负，或者是恰好相反？为何活动周的持续时间有如此大的变化？

自2010年起，麦金托什及其同事开始追踪太阳上的不同磁场平衡区，在这些区域，向内指入太阳的磁场与向外的磁场相等。小组发现了先前看到过的磁场小丛，不过还注意到了较先前的观测大得多的磁场丛，其尺度与木星直径相当。小组还在NASA的太阳动力学天文台（SDO）拍摄的太阳大气（日冕）图像中观察了这些区域。他们注意到了无处不在的极紫外与X射线辐射斑（也就是亮点）一般会在这些大型区域（由于其较大尺度被称为“g结点”）的旋涡之上盘旋。

因此亮点与g结点提供了一种全新的方法，可以追踪太阳内部的物质流动。麦金托什与同事随后在过去18年间欧洲空间局与NASA合作的太阳和日球层探测器以及SDO的可用数据中搜集了关于这些特征运动的信息，以监测过去的一个活动周是如何推进的，当前的活动周又是如何开始的。他们发现了这些标识组成的条带（进而是其下相应的大尺度磁场）同样沿着某些与太阳黑子相同的路径随着时间推移朝向赤道运动，不过运动始于纬度55度左右的区域。此外太阳两个半球通常拥有不止一道这样的条带。

麦金托什解释说，太阳内部可能发生了一系列磁力线复杂的相互作用，很大程度上它们是看不到的。新近的观测表明，太阳上存在磁场极性不同的物质带，它们一旦形成，则会从高纬度区域持续向赤道移动。这样的条带可能具有南北极性，在两个半球其极性彼此交错，因此它们的极性彼此抵消。举例来说，在太阳的北半球，最靠近赤道的条带也许是带有磁场北极的，它的一些磁力线会与另一道位于较高纬度区域的条带相连，后者极性为南极。越过赤道在太阳的下半部分，类似的过程也发生着，不过这里的条带几乎会是赤道另一侧条带的镜像，在赤道附近为南极，高纬度区域为北极。各半球内以及跨越赤道的磁力线会将这4个条带连接起来。

在磁力线像上述这样相对较短的时候，太阳的磁场系统较为宁静，形成的黑子和爆发较少，对应太阳极小期。但是当两道低纬度区域的移动条带抵达了赤道的时候，它们的极性实际上会彼此抵消。突然条带消失了。这一过程从条带开始迁移到在赤道附近消失，平均要花费19年，不过看上去是在16到21年左右变化的。

在赤道区域的争斗与磁极抵消之后，太阳上只剩下了两道大型条带，它们迁移到了纬度为30度左右的区域。这些条带引出的磁力线更长，因此两个半球的条带不太能感受到彼此。此时太阳黑子开始在条带内迅猛生长，开始增加到了太阳峰年。不过由于高纬度区域已经开始了相反极性条带的产生，增长期不会很长。当新的条带开始出现的时候，复杂的4条带联结又开始了，低纬度区域的黑子数目开始减少。

这一图景中，磁场条带的周期（每道条带移向赤道期间的寿命）是决定整个太阳活动周的真正因素。论文的合作者、来自波泽曼（Bozeman）市蒙大拿州立大学与NASA华盛顿总部的罗伯特·列蒙（RobertLeamon）说：“因此11年的太阳活动周可以被视作是两个长得多的周期的重叠。”

新的概念模型还解释了太阳黑子被束缚在纬度30度以下区域以及磁极突变的原因。然而该模型提出了另一个纬度的问题：为何磁场标识，也就是亮点与g结点，最开始是出现在55度区域的？

麦金托什说：“在此纬度之上，太阳大气看起来是与下方的自转脱节的。因此有理由相信，与赤道附近的区域相比，太阳高纬度地区的内部存在非常不同的内部运动与演化。55度看起来是太阳的一个临界纬度，我们需要对其进行进一步的探索。”

太阳活动周理论最好的检验方法是对下一个太阳活动极小期以及新的峰年作出预言。这篇研究论文预言，太阳将在2017年下半年的某时抵达极小期，而下一个活动周的黑子会在2019年底前后开始出现。

列蒙说：“人们会预言这个太阳活动周何时结束，下一个活动周何时开始。是在2019年或者2020年的某一时刻，某些人会是正确的，而某些人会犯错。”

同时无论麦金托什和同事提出的新假说是否是正确的，长期出现的亮点与g结点提供了黑子之外研究太阳活动驱动力的新方法。将这一信息代入太阳模型，将为人们提供一个机会，来改进我们对太阳的模拟。这样的先进模型还会告诉我们关于其他恒星的信息，可以帮助我们更好地理解在更为遥远奇异的同类天体上类似的磁场活动。

预测

太阳爆发活动以及太阳风暴的发生均随着太阳活动周的变化而变化。因此，通过对太阳活动周的预测可以获悉太阳爆发活动及太阳风暴未来长时间内可能的发生情况。当前，太阳活动周的预测主要是借助对太阳黑子数量变化的预测，进而来预测太阳活动周。此外，通过对太阳10.7厘米射电流量（F10.7）的长期预测也能预测出太阳活动周。

黑子数的长期预报方法的研究开始于20世纪中期，经过半个多世纪的发展，已呈现出“百家争鸣”的格局。在预报因子上既有单纯的黑子数，也有太阳极向场、地磁指数等其他相关因素；预报技术上既有单纯的经验公式，也存在较为复杂的统计分析，之后还发展了数值模拟。根据指导思想、预报技术或预报因子的差异，黑子数长期预报方法可分为统计方法和太阳发电机模型预报方法。

统计方法预报

黑子数长期预报的统计方法主要是在假设太阳活动遵循统计规律的基础上提出的。通过对黑子数的系列数据进行各种分析得出统计规律，从而对未来的太阳黑子数进行长期预报。常用的数学分析方法有很多，如频谱分析法、时间序列法、活动周参量法、自回归方法、长周期方法、人工神经网络法等。统计方法不仅能预报太阳活动周的最大强度，还能预报太阳活动周的轮廓曲线，方法也相对简单，因此应用十分广泛。随着统计分析方法的发展，黑子活动长期预报方法的统计分析技术也在不断改进中。

在黑子数的统计基础上，还可以借助于太阳发电机理论，假设当前活动周的一些特点具有反映下一周活动强度的能力。利用太阳活动周极小期的某些参量，如黑子的纬度或极区磁场强度等，推测出下一个太阳活动周极大年附近的情况。也可以根据地磁指数和太阳磁场的演化关系，利用极小年附近的地球物理参量对下一个太阳活动周极大期的黑子活动情况进行预测。这种方法虽然具有一定的物理思想，但依然是基于统计方法给出经验的关系来做预报。由于该方法要在极小年出现以后才能做预报，因此提前量小，能否预报位相还有待研究。

注：太阳黑子数月均平滑值是以当月为中心，前后共13个月的黑子数月均平滑值的平均值，其中第1个月和第13个月取一半的权重。因此，黑子数月均平滑值要比月均值延迟6个月才能得到。太阳活动周的状况通常是用太阳黑子数月均平滑值的大小和变化来描述。

太阳模型预报

太阳活动实际上是磁场演化的产物，黑子在本质上就是强磁场区，只要强磁场区存在，各种活动现象都可以解释，包括太阳活动周的发生原因。太阳发电机理论就是用来解释太阳磁场的起源、磁场的特征以及与各种活动现象之间的相关性及其变化规律的。现有的发电机理论认为太阳磁场是由活动周开始时（甚至开始以前3年）的太阳极向磁场演化而来，即较强的中低纬度磁场源于太阳活动周开始时极区或高纬度区域的强磁场。

将某一特定周期的太阳活动极小年时的极区磁场作为输入条件，直接利用太阳发电机模型通过数值模拟的方式就可以预报下一个太阳活动周强度。太阳发电机模型预报方法具有明确的物理思想，是太阳活动长期预报方法的研究方向，在第24太阳活动周的预测中已开始尝试。太阳发电机模型预报方法只能实现对太阳活动周上升期以及极大期的预报，对活动周的下降期还不能进行预报。