你对太阳了解多少？

作者：方方土

文章来源于科学大院公众号（ID:kexuedayuan）

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美国国家航空航天局(NASA)发射的太阳探测器帕克预计2025年会实现“触摸太阳”的梦想，届时帕克离太阳表面仅约600万千米！要解决悬而未决的重大问题还需要时间，在这之前我们有必要让大家了解太阳的一些基础知识。

太阳的结构

太阳由里往外是由核心区、辐射区、对流区、光球层、色球层、日冕层构成。光球层之下称为太阳内部，光球层之上称为太阳大气。

太阳的结构

目前关注的太阳活动均发生于外部太阳大气，几乎所有的可见光都是从太阳大气中的光球层发射出来的，因此对太阳的观测大部分是对太阳光球层的观测。这里简要说明一个概念：光球层的表面由于温度高低不同形成了明暗斑点，较暗的斑点被称为太阳黑子，较明亮的斑点被称为光斑。太阳黑子数一般可用来反映太阳活动的强弱，太阳黑子数的记录也是目前有关太阳观测中时间最长的记录。

PS：帕克最终到达的日冕层属于太阳大气层，所谓的“日冕之谜”是指日冕层的温度远远高于太阳表面的温度，期待帕克会给出谜底。

等离子体和较差自转

我们所处的地球上，物质大部分都是固体、液体和气体三态中的一种，然而宇宙中99%的物质都属于物质的第四态：等离子体。等离子体（Plasma）是一种同时含有正负离子的物质形态，通常表现为离子化气体状物质，太阳就是以等离子体的状态存在的典型代表。

正是太阳的这种物质存在形式导致了太阳的较差自转现象，也就是说太阳在自转时日面不同纬度有不同的自转周期，在太阳赤道的自转最快，而随着日面纬度升高自转逐渐变慢，下图可以形象的说明太阳的较差自转。

太阳的较差自转现象

上面的公式表达了太阳自转角速度和日面纬度的关系。A、B、C为常数。不同的测量结果会影响A、B、C三个常数的值。当前被接受的值是：

这里说一说19世纪英国的理查德•克里斯托弗•卡林顿（Richard Christopher Carrington），他家里很富有，又爱好天文，就在伦敦附近自己造了一座天文观测室，然后在白天开始日复一日对太阳的观测，晚上则寻找星星。卡林顿通过每日对太阳的持续观测，细心记录下太阳黑子（群）在日面上大小、多少、位置和形态等的变化，由此发现了太阳较差自转现象，这一发现否定了当时有人提出的太阳是个固体球的理论。

观测太阳活动需要“千里眼”

太阳到地球的直线距离的平均值为149597870.7千米，如此遥远的距离，很难用我们人类的肉眼观测到太阳的实质性变化，更何况太阳紫外线和红外线一定时间的照射会灼伤眼睛。所以直到17世纪发明了望远镜，人类对太阳的观测才逐渐有了飞跃性进展。

太阳与地球的距离

目前专门的太阳观测仪器，包括光学、射电和空间的专用设备。1609年伽利略首次用望远镜观测太阳黑子被认为是最早使用光学仪器观测太阳。之后前辈们一直致力于在可见光波段对太阳进行观测，到了二十世纪，技术发展促使各种用于观测太阳光球层、色球层、日冕层等的光学仪器不断涌现。近代射电天文和空间天文技术迅速发展，实现了从γ射线直到米波的太阳观测，但历史悠久的光学观测仍然占据重要地位。

PS：帕克严格意义上不属于太阳观测仪器，因为它要进行的探测任务比观测更困难。帕克需要飞离地球，借助金星引力7次变轨后进入太阳日冕层。

太阳活动周期

猜猜下图是什么？是一串红宝石项链吗？不对，下图是1996年～2006年的每年给太阳选择一张代表性照片的汇总，这张图可大致反映出第23个太阳活动周期的发展过程。1843年，德国天文学家塞缪尔•海因里希•施瓦布（Samuel Heinrich Schwabe）发现了太阳活动周期，提出太阳年平均黑子数存在周期性变化，变化的周期约十年。

第23太阳活动周的发展过程

瑞士天文学家约翰•鲁道夫•沃夫（Johann Rudolf Wolf）在施瓦布提出的太阳黑子周期启发下，不只自己观测太阳，还收集从1610年起所有可用的太阳黑子活动资料，经过几年的仔细观测和精心的资料整理，发现太阳黑子数变化周期平均为11.1年，观测到的最短黑子周期为9年，最长黑子周期为14年。沃夫提出将太阳黑子数从一个极小到另一个极小之间定为一个周期，并将1755年～1766年的周期定为第1个太阳活动周，目前正处于第24个太阳活动周。

历年来太阳黑子数年均值变化曲线

斯波勒定律

1861年卡林顿发现了太阳黑子随太阳活动周发展向赤道迁移的规律，因此太阳活动周又被称为卡林顿太阳活动周。随后得到德国天文学家古斯塔夫•斯波勒（Gustav Spoerer）的确认，这一规律被称为斯波勒定律。

斯波勒定律描述：在太阳活动周开始时，黑子群出现的位置分别在太阳南北纬度30º～45º；在太阳活动极大年，黑子群一般出现在纬度15º附近；在太阳活动周要结束时，黑子群一般出现在纬度8º附近，同时新周期的黑子群已开始在高纬度出现，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。后来英格兰天文学家爱德华•沃尔特•蒙德（Edward Walter Maunder）用蝴蝶图形象展示了斯波勒定律。

太阳黑子蒙德蝴蝶图

太阳活动的海尔周期

美国天文学家乔治•埃勒里•海尔（George Ellery Hale）被称为“太阳物理学之父”，他利用研制的太阳单色光照相仪首次测得了太阳黑子的磁场。长期的观测发现随着太阳自东向西自转黑子一般会成对出现，习惯上将西边的称为前导黑子，东边的称为后随黑子，前导黑子和后随黑子的极性总是相反的，所以又称为双极黑子。

在同一个11年太阳活动周期内，日面同一半球所有双极黑子的磁场极性相同，而南北不同半球上的双极黑子的磁场极性相反（即：前导黑子的极性相反，后随黑子的极性也相反）；当下一个11年太阳活动周期开始，太阳南北两个半球的双极黑子的磁场极性发生对换。考虑到黑子磁场变换规律，海尔于1919年提出太阳活动的磁周期应该是22年，这就是所谓的太阳活动的海尔周期。

海尔周期双极黑子极性转换前(a)后(b)

太阳活动对我们的影响

太阳活动无疑会对地球产生重要的影响。太阳活动有时比较平静，有时比较剧烈；太阳有自转，太阳上的活动区有时对向地球，有时又背向地球；地球本身有自转又有公转，因此太阳活动对地球的影响非常复杂，周期也有多种，如日周期、27天周期、年周期、11年周期等。太阳在相对平静期时地球感受到的是光明和温暖，换言之万物生长靠太阳，然而太阳活动剧烈时也会肆虐成灾，以下主要介绍一下其对电离层、磁场的影响。

对电离层的影响

太阳活动对电离层的影响主要有电离层突然骚扰、电离层暴、极盖吸收、极光带吸收等，这一系列的连锁反应会严重影响无线电信号的传播。地球高层大气受到太阳XUV（X射线和极紫外EUV）辐射形成了电离层，太阳活动性变化会直接影响电离层的变化，而电离层的变化又会影响无线电信号的传播。特别是太阳大耀斑爆发时，太阳对地球电离层的辐射能量会瞬间井喷，只需要8分多钟就将使地球局部电离层的电子浓度和电离层各层（电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等）的高度厚度急剧突变，紧接着太阳耀斑产生的高能带电粒子也会逐渐到达，在地球磁场的作用下，会使高纬度地区和极区电离层产生异常，在太阳耀斑爆发后20~40小时地磁场被强烈扰动会发生磁暴现象。

太阳耀斑爆发后对地球的影响

对磁场的影响

整个地球是一个大磁场。地球的北极是地磁场的磁南极，地球的南极是地磁场的磁北极。地极和磁极之间有大约11度的夹角，因此地球的周围充满了磁力线，不同的位置有不同的地磁强度。平时地磁受多方面的影响，会有不同程度的扰动，而影响最大的就是磁暴现象。

磁暴发生时磁针剧烈颤动，不能正确指示方向，磁场强度可以变化很大。将对人类活动，海上航行之船、空中飞行之机、甚至信鸽的飞翔等产生影响，特别是会影响与地磁有关的工作。同时在高纬度地区常常伴有极光出现，极光区一般位于地磁极25º~30º离地面100~300千米的上空。极光是带电粒子流高速冲进那里的高空大气层，被地球磁场捕获，同稀薄大气相碰撞而产生的大气发光现象，颜色多变形状多样。

太阳还有很多未知等着我们发现，人类探索太空的脚步也不会停息，相信随着科技的进步，在“帕克”们的协助下，人类终有一天会揭开太阳的神秘面纱。

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