太阳活动

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第491页（3747字）

距地球1．5×10⁸km的太阳，是一团直径约1．4×10⁶km、中心温度1．500万度、表面温度约6000度的炽热气体球。

它主要由氢和氦构成，各占73%和25%，其它各种元素合计不足2%。太阳辐射的能量来自中心区域由氢原子核合成氦核的聚变核反应。从整体和宏观上看，现阶段的太阳是一颗球对称的、均匀地向四面八方辐射的稳定恒星。对太阳的演化研究表明，它以目前的面貌存在已有5×10⁹年，从理论上估计，太阳还将以这种整体和宏观稳定的状态持续存在4×10⁹年。

但是另一方面，天文学家借助望远镜和专门的太阳观测设备，却又发现在太阳表面经常会发生一些事件。例如在它的低层大气(光球层)常会出现许多黑子(Sunspot)和光斑(Facula)，而在高层大气(色球层和日冕)中常出现谱斑(Flocculus)和日珥(Prominence)，有时还发生耀斑(Flare)。太阳黑子是光球中的低温区，因而显得较暗，它们的温度一般比周围区域低1500～2000K。黑子本质上是太阳的局部强磁场区，磁场强度高达0．1～0．4T。

光斑则是光球中的高温区，因而显得较亮，其温度比周围高几百度。谱斑是色球中的亮区，它们基本上是光斑在色球中的延伸。日珥是从太阳色球伸向日冕的火焰状突出物。耀斑则是发生在色球和日冕中的爆发现象。

黑子、光斑、谱斑和日珥的寿命只有几天至几个月，耀斑的寿命只有几分钟至几小时。人们把所有这些出现在太阳表面局部区域，而且存在时间比较短暂的现象，通称为太阳活动(Solar Activity)，并把忽略太阳活动的理想太阳称为宁静太阳(Quiet Sun)。因而，可以把真实的太阳看成附加上太阳活动的宁静太阳或活动太阳。

各种太阳活动现象有着复杂的物理过程和机理，对它们的研究涉及等离子体物理和磁流体力学、原子和辐射等诸多物理领域。

而且，剧烈的太阳活动现象，如耀斑和爆发型日珥，发射X光、紫外光和高能粒子流，污染日地空间环境，冲击地球磁层和电离层，造成地球轨道附近高能粒子流密度增大，产生磁爆、电离层骚扰、极光、平流层升温以及其它地球物理效应，影响到航天、无线电通讯、电力、探矿、航海以及气候、水文等国防和国民经济领域。因此，对太阳活动现象进行观测和研究，探明它们的机理和出没规律，以至进行预报，不仅有理论意义，还具有重要的实用价值，受到各国太阳物理学家的重视。

太阳黑子倾向于成群出现，而其它各种活动现象又倾向于集中在以黑子为中心的局部区域，称为太阳活动区(Active Region)。黑子附近总有光斑，它们上空的色球中总有谱斑，黑子群愈大，谱斑愈亮，面积也愈大，其附近常有日珥，而耀斑则发生在谱斑区中。

这样，太阳黑子就成了活动区的标志。一般来说，黑子群和黑子数目愈多时，其它各种活动现象也愈频繁。换句话说，可以用黑子群和黑子数目来衡量太阳活动的平均水平。

国际上用所谓太阳黑子相对数r(Sunspot RelativeNumber)来代表每天的太阳活动水平，其定义为r=10g+f，g和f分别为当天日面上出现的黑子群数目和黑子个数。

这一定义是1848年瑞士吴尔夫(Rudolf Wolf)首先提出的，因而也称为吴尔夫数。黑子相对数的观测记录已近300年。

对这些资料的研究表明，每天黑子相对数r的年平均值R具有11a左右的周期性变化。R变化曲线中极小值和极大值所在的年份分别称为太阳活动极小年和极大年，相邻两次极小年之间称为一个太阳活动周(Solar Cycle)。由1700年以来的记录可见活动周的长度在8．2～13．6a之间，平均为11．1a。在极小年附近，太阳上黑子很少，有时无黑子；反之，在极大年附近，太阳上常有很多黑子，尤其有许多大黑子。

国际上还统一规定以1755年(极小年)起算的太阳活动周为第1周，目前我们正处在从1986年开始的第22周。这1周的极大年是1990年，大约在1997年附近结束。

太阳活动除了具有明显的11a周期外，可能还存在更长的周期。若把1700年以来的每个太阳活动周中黑子相对数年均值的极大值RM，按每相邻4周滑动平均，得到的相对数极大值的均滑值的曲线，表现出似乎存在长度为80a的周期。至于更长的周期，由于已无可靠的望远镜观测的黑子记录，不同研究者利用其它各种资料和不同方法得到的结果不尽相同，尚无一致的看法。利用史书上的目视黑子记录和与太阳活动密切相关的极光频数记录，以及古树年轮中碳同位素(C¹⁴)含量的分析结果，可以粗略推测几百年甚至几千年以来的太阳活动大致情况。

这些研究表明，约在1645～1715年之间，太阳活动水平较低，现已称为蒙德极小期(Maunder Minimum)。此外，在1460～1550年间，似乎也存在活动低潮，称为斯波勒极小期(Sporer Minimum)。

在所有太阳活动现象中，最为剧烈和对地球影响最大的就是耀斑。耀斑实际上是黑子附近的太阳大气局部区中由磁性等离子体不稳定性所触发的大规模能量释放过程，因而也称太阳爆发。一次耀斑事件释放的能量估计达10²⁹～10³²erg。通过望远镜所看到的耀斑表现为黑子附近谱斑区中的突然增亮。小耀斑的寿命只有几分钟至十几分钟，面积约一个地球大小；大耀斑可持续几十分钟至一二小时，增亮区面积达十几个地球大小。太阳上发生耀斑时，从耀斑区发射出强X光、紫外光和高能粒子流。

X光和紫外光于8min30s后到达地球，破坏地球电离层的正常结构，主要是1×10^－10～10×10^－10m的X光使低电离层(D层)的电离度增大，使其对高频无线电讯号的吸收增强，导致无线电通讯受到干扰，甚至中断。

另一方面，来自耀斑区的高能粒子流(主要是质子)于几小时后到达地球，它们将对航天器和宇航员造成损害，甚至会威胁到通过极区航行的高空飞机。

更大量的慢速粒子流则于1～3d后到达地球，冲击磁层和电离层，引起磁爆和电离层爆，破坏无线电通讯和高纬地区的电力系统，并影响到地球物理探矿和航海方面。这些沿着地磁力线运动的粒子还将冲击地球极区的高空大气，使大气原子受激，产生极光。

例如1989年3月和8月的几次大耀斑，都曾造成无线电通讯中断和强烈磁爆，以及其它地球物理效应。除了耀斑以外，其它某些活动现象，如爆发日珥和亮谱斑等，也有X光、紫外光和高能粒子发射，其强度较弱，但它们的累积效应也会对地球产生影响。

太阳耀斑和其它活动现象发射的X光、紫外光和高能粒子对地球高层大气的作用，还会通过垂向环流系统向下传递到平流层，造成平流层升温，并且进一步向下传递到对流层，影响气候变化。统计研究表明，地球上某些地区的气象和水文参数，如气温、气压、降水、港口水位、大河流量、水旱灾害等，的确与太阳活动密切相关。

至于其它方面，如农业生产和医学上某些疾病的发病率与太阳活动的相关，其机理比较复杂，有些可能与太阳活动的紫外辐射增强有关，有些可能是通过气候变化间接起作用。

宏观上稳定的太阳为什么会出现太阳活动现象，一直是太阳物理学家的热门研究课题。

1961年美国巴布科克(H．W．Babcock)提出，太阳活动起源于太阳原有的弱磁场(许多天体，包括恒星和行星都有磁场)与太阳自转相互作用的结果。太阳的自转很特殊，即赤道的自转较快(约27d转1周)，两极较慢(约34d转1周)，形成所谓较差自转。

理论研究表明，正是这种较差自转，能够把太阳内部的微弱磁场拉伸放大，形成管状的强磁场(称磁流管)，并借助磁浮力上升。

当磁流管与太阳表面碰撞时，即成为黑子。

其它形形色色的活动现象，则是黑子区的强磁场与太阳大气中运动等离子体相互作用的结果。

太阳活动虽然强烈，但它们发射的能量与整个太阳的辐射能相比，则是微不足道的。

例如，大耀斑的总发射能量估计为4×10³²erg，若其持续时间为一个多小时，则可算得其发射功率为每秒10²⁹erg，这与整个太阳总辐射功率每秒3．826×10³³erg相比，是可以忽略的。因此，存在太阳活动丝毫无损于把太阳视为一颗稳定的恒星。

大功率的稳定辐射叠加上小功率的周期性的太阳活动，这正是现阶段太阳的主要特征。

【参考文献】：

1 Tandberg -Hanssen E. Solar Activity,D. Reidel Publishing Company, 1967

2 Zirin H. Astrophysics of the Sun. Cambridge University Press, 1987,303～404

3 胡文瑞等编．太阳耀斑．北京：科学出版社，1983

(北京天文台林元章教授撰)