太陽活動周

太陽活動周，也稱為太陽黑子活動周，它是根據日面黑子數的變化規律而確定的。

從長期的黑子相對數記錄來看，黑子相對數的平均值明顯的表現出11年左右的周期性，最短為9.0年，最長為13.6年。在太陽活動周開始的幾年時間裡，黑子不斷產生，活動越來越加劇，黑子數達到極大的年份稱為太陽活動的極大年（峰年）；在隨後的幾年中，黑子活動逐漸減弱，黑子變少，黑子極少的年份就稱為太陽活動的極小年（谷年）。 兩次相鄰的極小年之間為一個太陽活動周。人們規定以1755年極小年起算的太陽活動周為第1周。

通常，也將黑子相對數年均值相對高的太陽活動極大年及其相鄰的幾年，稱為太陽活動高年；黑子相對數年均值相對較少的太陽活動極小年及其相鄰的幾年，稱為太陽活動低年。在太陽活動高年，太陽爆發活動較多，太陽風暴發生頻次高。相反，在太陽活動低年，太陽爆發活動少，太陽風暴發生頻次低。

基本介紹

• 中文名：太陽活動周
• 外文名：Solar cycle
• 又稱：太陽黑子活動周
• 發現：德國業餘天文學家、藥劑師施瓦貝
• 成因：巴布科克模型、太陽發電機理論
• 預報：統計方法、太陽發電機模型預報

發現

1843年，德國業餘天文學家、藥劑師施瓦貝最先發現了太陽活動周期變化。

英國業餘天文學家施瓦貝

從1826年到1843年的十七年間，他用一架小望遠鏡注視太陽，並專注描繪黑子。在這些年的詳細觀測中，施瓦貝發現，每經過大約10年，就會出現黑子數目增加的現象，經過了極大期，太陽黑子數又進入極小期，太陽表面幾乎沒有黑子。這樣，大約每隔10年就是一個太陽活動周。1843年，施瓦貝把一篇題為《1843年間的太陽觀測》的論文，投到德國《天文通報》，起初並未被發表，直到1851年，施瓦貝的發現才被公之於世。

19世紀中期，時任瑞士蘇黎世天文台台長的沃爾夫讀了施瓦貝發表的論文後，開始用望遠鏡觀測太陽黑子。此外，他還蒐集整理了此前太陽黑子的觀測資料，其中包括伽利略及其同時代觀測者留下的。經過整理，可供研究使用的每日太陽黑子數的記錄可推前至1749年，年平均值的數據可推前至1610年。

沃爾夫在蒐集整理太陽黑子數觀測資料的過程中，為使不同觀測台站以及不同人的太陽黑子觀測資料具有可比性，於1848年提出了“太陽黑子相對數”的概念。具體表示為R=K(10g+f)，式中R為黑子相對數，g為日面上觀測到的黑子群數目，f為觀測到的單個黑子的總數，K為轉換因子。K值可隨觀測者所在地點、所用儀器、觀測方法、觀測技術和天氣能見度而異。“太陽黑子相對數”可以通過觀測到的單個黑子數、黑子群數，以及表征觀測時的天氣和所用的儀器等因素的係數來計算。當然，這個參量只能表示太陽對著地球這一可見日面上黑子的活動情況。

沃爾夫觀測太陽黑子的望遠鏡

經過幾年仔細觀測和精心的資料整理，沃爾夫最終發現太陽黑子數的平均變化周期為11.1年。其中，觀測到的最短黑子周期為9年，最長黑子周期為14年。沃爾夫提出將太陽黑子數從一個極小到另一個極小值之間的時間定為一個周期，並將1755年至1766年的周期定為第1個太陽活動周。

19世紀中期，英國天文愛好者卡林頓也熱衷於觀測太陽黑子。卡林頓追蹤太陽黑子在整個為期11年的活動周期內的變化，發現不僅黑子的數量產生變化，而且黑子分布的位置也會向太陽的赤道移動。

同一時間，與卡林頓一樣進行太陽周期規律研究的還有德國天文學家斯波勒。

經過長期觀測，斯波勒發現在新的太陽活動周開始時，黑子群出現的位置分別在太陽南北半球緯度30°至45°附近，隨著太陽活動周的進展，黑子群出現的緯度位置逐漸向赤道靠近。在太陽活動極大年附近，黑子群出現在15°附近；在太陽活動周的末尾，黑子群出現在8°附近。在每個太陽活動周即將結束時，新周期的黑子群已經開始在高緯度出現，舊太陽活動周的黑子群仍在低緯度出現。新周期和舊周期黑子群同時出現的局面大約可持續一年左右的時間。太陽黑子出現緯度的位置隨太陽活動周發展而變化的規律，稱為斯波勒定律。

英國天文學家愛德華·瓦爾特·蒙德和他的妻子安妮·蒙德經過二十多年的精心觀測，在二十世紀初將觀測數據繪製成圖。以時間為橫坐標，以黑子群出現的緯度為縱坐標，這樣就得到了能夠形象展示斯波勒定律的所謂“蒙德蝴蝶圖”。太陽活動周的黑子群出現位置分布變化非常像一隊展開翅膀飛翔的蝴蝶。

蒙德蝴蝶圖

磁活動周發現

20世紀初，美國著名天文學家海爾利用物理方法首次測得太陽黑子的磁場，在經過十多年的觀測後，發現：

雙極黑子群極性轉換的海爾定律(a)前;(b)後

1.在一個固定的11年太陽活動周期內，太陽南半球或北半球同一個半球中，所有雙極黑子的磁場極性分布都相同。也就是說所有的前導黑子磁場相同，後隨黑子同前導黑子的極性相反。

2.同一個活動周內，太陽南半球和北半球的雙極黑子的磁場極性分布相反。

3.當下一個11年活動周來臨時，太陽南北兩個半球的雙極黑子的磁場極性發生對換。

因此按照海爾的黑子磁場變換規律，太陽黑子變化一個完整的周期需要大約22年，這就是太陽活動的海爾定律。

成因

20世紀中期，美國天文學家巴布科克同父親老巴布科克一起，藉助研製的太陽磁像儀測量黑子的磁場以及黑子區域以外的整個太陽表面的普遍磁場。經過長時期的觀測，他們發現了兩條重要特性：

巴布科克模型示意圖

1.太陽兩極區存在微弱的磁場，南北極區的磁場極性相反，很像條形磁鐵的磁場，他們在太陽活動極大年附近發生極性互換。

2.大多數日面雙極活動區的磁場通量大致平衡，活動區的磁場主要依靠擴散減弱，雙極區一部分磁場向極區擴散，另一部分向赤道擴散。

在這些觀測基礎上，結合對太陽內部物質運動和性質的研究，1961年巴布科克提出了解釋太陽周期活動起源的經驗模型，即“巴布科克模型”。模型的實質是太陽偶極磁場與太陽較差自轉相互作用造成太陽活動的周期性。之後的一些天文學家在巴布科克的基礎上，將解釋太陽周期性活動的研究推進到嚴格的理論水平。

1969年美國天文學家萊頓在巴布科克模型的基礎上，提出了半經驗模型。萊頓主要是在磁場擴散方面進行了模擬計算。

在巴布科克提出自己的經驗模型的時候，一些天文學家就已經從理論上探討太陽活動周的問題。隨後逐漸形成了解釋太陽活動周的太陽發電機理論，這一理論建立在嚴格的磁流體力學基礎之上。在這以前物理學家已經認識到，運動導體通過感應能夠產生磁場是自激發電機的工作原理，太陽活動周的磁周期本性使科學家自然地想到太陽體記憶體在自激發電機的可能。目前太陽發電機理論方面的研究認識太陽物理研究的活躍領域。

決定太陽活動周期的新線索

每隔大約11年，太陽會發生一次徹底的人格變化，從寧靜變為劇烈的活躍。太陽活動的頂峰叫做太陽極大年，此時有無數的黑子，間以猛烈的爆發，將輻射與太陽粒子送到太空深處。

然而太陽活動周的時間確定很不精確。自從人類在17世紀開始規律地記錄黑子以來，兩個太陽峰年之間的間隔可以短至9年，長至14年，這樣就使得確定其成因變得很困難。現在研究者發現了一種可以用於跟蹤太陽活動周期的新標識——亮點。它們是太陽大氣中明亮的小點，可以讓我們觀測太陽內部持久沸騰的物質。這樣的標識提供了新的方法，可以觀察這顆距離我們最近的恆星上磁場演化和運動方式。它們還說明，也許我們需要對已有的神秘活動周驅動理論進行很大的修正。

在歷史上，解釋太陽內部活動驅動太陽活動周的理論只能依靠一種觀測，也就是黑子，這樣的數據記錄已經持續了數個世紀，在過去的幾十年里，研究者意識到黑子是強磁場所在的區域，他們還從超過9000萬英里之外留下了對太陽磁場的觀測測量。

來自科羅拉多州玻爾得（Boulder）美國國家大氣研究中心的空間科學家斯科特·麥金托什（Scott McIntosh）說：“太陽黑子一直以來都是長期的標識，可以幫助我們了解支配太陽內部的機制。但是我們並沒有很好地了解黑子的成因，就更不要提支配其遷移並驅動其運動的機制了。現在我們在太陽大氣中可以看到亮點的存在，我們就好像是浮標一般，與更深層發生的事件相連。它們幫助我們發展出了太陽內部的不同圖景。”麥金托什是描述相關結果的論文的第一作者，文章發表在2014年9月1日的《天體物理學報》雜誌上。

在一個太陽活動周內，黑子一般會逐漸向低緯度區域遷移，朝赤道移動。主導的理論是認為，在太陽兩半球存在兩個對稱的巨型物質環，它們就好像是巨型傳送帶一般，從極區掃向赤道，並在那裡沉入太陽內部的深處，然後穩定地返回極區。這樣的傳送帶還讓磁場穿過翻湧的太陽大氣。該理論認為，太陽黑子是與物質流同步運行的，通過跟蹤黑子可以對這一物質流進行研究，基於這樣的進展，人們發展了太陽活動周的理論。但是還有很多東西仍舊不為人知：為何黑子只會在緯度低於30度左右的區域出現？是什麼讓連續活動周的黑子突然將磁場極性從正轉負，或者是恰好相反？為何活動周的持續時間有如此大的變化？

自2010年起，麥金托什及其同事開始追蹤太陽上的不同磁場平衡區，在這些區域，向內指入太陽的磁場與向外的磁場相等。小組發現了先前看到過的磁場小叢，不過還注意到了較先前的觀測大得多的磁場叢，其尺度與木星直徑相當。小組還在NASA的太陽動力學天文台（SDO）拍攝的太陽大氣（日冕）圖像中觀察了這些區域。他們注意到了無處不在的極紫外與X射線輻射斑（也就是亮點）一般會在這些大型區域（由於其較大尺度被稱為“g結點”）的旋渦之上盤旋。

因此亮點與g結點提供了一種全新的方法，可以追蹤太陽內部的物質流動。麥金托什與同事隨後在過去18年間歐洲空間局與NASA合作的太陽和日球層探測器以及SDO的可用數據中蒐集了關於這些特徵運動的信息，以監測過去的一個活動周是如何推進的，當前的活動周又是如何開始的。他們發現了這些標識組成的條帶（進而是其下相應的大尺度磁場）同樣沿著某些與太陽黑子相同的路徑隨著時間推移朝向赤道運動，不過運動始於緯度55度左右的區域。此外太陽兩個半球通常擁有不止一道這樣的條帶。

麥金托什解釋說，太陽內部可能發生了一系列磁力線複雜的相互作用，很大程度上它們是看不到的。新近的觀測表明，太陽上存在磁場極性不同的物質帶，它們一旦形成，則會從高緯度區域持續向赤道移動。這樣的條帶可能具有南北極性，在兩個半球其極性彼此交錯，因此它們的極性彼此抵消。舉例來說，在太陽的北半球，最靠近赤道的條帶也許是帶有磁場北極的，它的一些磁力線會與另一道位於較高緯度區域的條帶相連，後者極性為南極。越過赤道在太陽的下半部分，類似的過程也發生著，不過這裡的條帶幾乎會是赤道另一側條帶的鏡像，在赤道附近為南極，高緯度區域為北極。各半球內以及跨越赤道的磁力線會將這4個條帶連線起來。

在磁力線像上述這樣相對較短的時候，太陽的磁場系統較為寧靜，形成的黑子和爆發較少，對應太陽極小期。但是當兩道低緯度區域的移動條帶抵達了赤道的時候，它們的極性實際上會彼此抵消。突然條帶消失了。這一過程從條帶開始遷移到在赤道附近消失，平均要花費19年，不過看上去是在16到21年左右變化的。

在赤道區域的爭鬥與磁極抵消之後，太陽上只剩下了兩道大型條帶，它們遷移到了緯度為30度左右的區域。這些條帶引出的磁力線更長，因此兩個半球的條帶不太能感受到彼此。此時太陽黑子開始在條帶內迅猛生長，開始增加到了太陽峰年。不過由於高緯度區域已經開始了相反極性條帶的產生，增長期不會很長。當新的條帶開始出現的時候，複雜的4條帶聯結又開始了，低緯度區域的黑子數目開始減少。

這一圖景中，磁場條帶的周期（每道條帶移向赤道期間的壽命）是決定整個太陽活動周的真正因素。論文的合作者、來自波澤曼（Bozeman）市蒙大拿州立大學與NASA華盛頓總部的羅伯特·列蒙（Robert Leamon）說：“因此11年的太陽活動周可以被視作是兩個長得多的周期的重疊。”

新的概念模型還解釋了太陽黑子被束縛在緯度30度以下區域以及磁極突變的原因。然而該模型提出了另一個緯度的問題：為何磁場標識，也就是亮點與g結點，最開始是出現在55度區域的？

麥金托什說：“在此緯度之上，太陽大氣看起來是與下方的自轉脫節的。因此有理由相信，與赤道附近的區域相比，太陽高緯度地區的內部存在非常不同的內部運動與演化。55度看起來是太陽的一個臨界緯度，我們需要對其進行進一步的探索。”

太陽活動周理論最好的檢驗方法是對下一個太陽活動極小期以及新的峰年作出預言。這篇研究論文預言，太陽將在2017年下半年的某時抵達極小期，而下一個活動周的黑子會在2019年底前後開始出現。

列蒙說：“人們會預言這個太陽活動周何時結束，下一個活動周何時開始。是在2019年或者2020年的某一時刻，某些人會是正確的，而某些人會犯錯。”

同時無論麥金托什和同事提出的新假說是否是正確的，長期出現的亮點與g結點提供了黑子之外研究太陽活動驅動力的新方法。將這一信息代入太陽模型，將為人們提供一個機會，來改進我們對太陽的模擬。這樣的先進模型還會告訴我們關於其他恆星的信息，可以幫助我們更好地理解在更為遙遠奇異的同類天體上類似的磁場活動。

預測

太陽爆發活動以及太陽風暴的發生均隨著太陽活動周的變化而變化。因此，通過對太陽活動周的預測可以獲悉太陽爆發活動及太陽風暴未來長時間內可能的發生情況。當前，太陽活動周的預測主要是藉助對太陽黑子數量變化的預測，進而來預測太陽活動周。此外，通過對太陽10.7厘米射電流量（F10.7）的長期預測也能預測出太陽活動周。

黑子數的長期預報方法的研究開始於20世紀中期，經過半個多世紀的發展，已呈現出“百家爭鳴”的格局。在預報因子上既有單純的黑子數，也有太陽極向場、地磁指數等其他相關因素；預報技術上既有單純的經驗公式，也存在較為複雜的統計分析，之後還發展了數值模擬。根據指導思想、預報技術或預報因子的差異，黑子數長期預報方法可分為統計方法和太陽發電機模型預報方法。

太陽黑子數年均值變化曲線

統計方法預報

黑子數長期預報的統計方法主要是在假設太陽活動遵循統計規律的基礎上提出的。通過對黑子數的系列數據進行各種分析得出統計規律，從而對未來的太陽黑子數進行長期預報。常用的數學分析方法有很多，如頻譜分析法、時間序列法、活動周參量法、自回歸方法、長周期方法、人工神經網路法等。統計方法不僅能預報太陽活動周的最大強度，還能預報太陽活動周的輪廓曲線，方法也相對簡單，因此套用十分廣泛。隨著統計分析方法的發展，黑子活動長期預報方法的統計分析技術也在不斷改進中。

在黑子數的統計基礎上，還可以藉助於太陽發電機理論，假設當前活動周的一些特點具有反映下一周活動強度的能力。利用太陽活動周極小期的某些參量，如黑子的緯度或極區磁場強度等，推測出下一個太陽活動周極大年附近的情況。也可以根據地磁指數和太陽磁場的演化關係，利用極小年附近的地球物理參量對下一個太陽活動周極大期的黑子活動情況進行預測。這種方法雖然具有一定的物理思想，但依然是基於統計方法給出經驗的關係來做預報。由於該方法要在極小年出現以後才能做預報，因此提前量小，能否預報位相還有待研究。

第24活動周與幾個相似周黑子數比較

註：太陽黑子數月均平滑值是以當月為中心，前後共13個月的黑子數月均平滑值的平均值，其中第1個月和第13個月取一半的權重。因此，黑子數月均平滑值要比月均值延遲6個月才能得到。太陽活動周的狀況通常是用太陽黑子數月均平滑值的大小和變化來描述。

太陽模型預報

太陽活動實際上是磁場演化的產物，黑子在本質上就是強磁場區，只要強磁場區存在，各種活動現象都可以解釋，包括太陽活動周的發生原因。太陽發電機理論就是用來解釋太陽磁場的起源、磁場的特徵以及與各種活動現象之間的相關性及其變化規律的。現有的發電機理論認為太陽磁場是由活動周開始時（甚至開始以前3年）的太陽極向磁場演化而來，即較強的中低緯度磁場源於太陽活動周開始時極區或高緯度區域的強磁場。

將某一特定周期的太陽活動極小年時的極區磁場作為輸入條件，直接利用太陽發電機模型通過數值模擬的方式就可以預報下一個太陽活動周強度。太陽發電機模型預報方法具有明確的物理思想，是太陽活動長期預報方法的研究方向，在第24太陽活動周的預測中已開始嘗試。太陽發電機模型預報方法只能實現對太陽活動周上升期以及極大期的預報，對活動周的下降期還不能進行預報。

對太陽的預測

目前太陽活動正處於第24周。採用方法或數據不同，對第24太陽活動周的預測也就出現了很多種答案，且這些答案對第24太陽活動周開始時間、峰值時間和峰值強度的預測上存在很大的分歧，其中對第24太陽活動周峰值強度的預測就從40到180之間不等。

第24太陽活動周開始於2008年的12月。太陽黑子月均平滑值於2012年2月達到小峰值（66.9），2014年4月達到新峰值81.9，是本活動周的第2個峰值。預計太陽活動將進入下降段。