時而温柔時而暴躁 太陽活動週期“畫風”迥異

身邊的天文學

太陽活動經過一段長時間的沉寂，從2019年11月浮現的太陽黑子（AR2750）開始，便偶有一些爆發現象，這些現象可能意味着太陽正進入一個新的活動週期——第二十五太陽周。

威力驚人 對地球“軟硬兼施”

太陽活動週期是除地球自轉和公轉所帶來的日夜交替與四季變化外，對人類社會產生重大影響的另一個天文週期。隨着信息時代的到來，太陽活動對於人們生活的影響越來越廣泛，也越來越重要。其中最顯著的，莫過於太陽耀斑與日冕物質拋射等現象的影響，例如干擾衞星通信、影響洲際航班，更有甚者會破壞電力網絡與石油運輸管道。

1989年3月，太陽爆發事件導致加拿大魁北克省的水電傳輸網絡癱瘓。這種劇烈的能量釋放現象往往大量集中出現，集中出現的時段就被稱為該太陽周的極大期。例如，在剛剛過去的第二十四太陽周，太陽於2014年爆發了約四十個左右的M級以上的大耀斑，一個M級耀斑釋放的能量相當於一億顆“小男孩”原子彈爆炸所釋放的能量。而在該太陽週末尾，2019年中最大的一次耀斑活動也只有C級，釋放的能量僅是M級耀斑的十分之一左右。

而太陽活動帶來的另一種“產品”——高能粒子，或許“激活”了早期地球大氣中穩定的氮氣並參與一系列化學反應，從而促進一些重要有機分子的合成，推動了早期生命的形成。

週期長短不一 黑子數也不盡相同

人們將1755年開始的太陽周作為第一週期進行計數。十九世紀人們開始對太陽黑子進行統計研究，發現太陽黑子數有着平均11年左右的準週期。不同的太陽周也會在時間和活動性上表現出差異。從時間來看，較短的太陽周只有9年，長的可達14年之久；從活動性來看，有的太陽週中的黑子數會明顯少於其他時期。例如剛剛過去的第二十四太陽周就呈現出相對較少的黑子數與太陽爆發事件等特徵，有學者認為接下來的第二十五太陽周的太陽黑子數或許會比第二十四太陽周更少。

歷史上曾出現過更加極端的情況。在1645至1715年之間，太陽表面只能偶爾觀測到極少數的黑子，這段時間被稱為蒙德極小期。值得注意的是，蒙德極小期似乎與明末清初時的小冰期具有關聯性。利用南極和格陵蘭島冰核中的鈹10濃度，學者們可以重構出更加遠古時期的太陽黑子數。歷史上太陽活動曾經歷過很多次極小期，太陽活動性的長時間變化是否真的對地球氣候產生影響，仍然是一個有待深入研究的複雜課題。

在過往的太陽週中，曾經發生過很多次十分劇烈的太陽爆發現象。在第十太陽周，1859年，理查德·克里斯托費·卡靈頓觀測到了人類歷史上第一個，也是目前為止最具威力的太陽耀斑事件，即著名的卡靈頓耀斑事件。他還注意到在18個小時之後發生了地磁暴，並指出二者之間可能存在的關聯性。

認清本質 探尋更多太陽奧秘

自從1908年喬治·海爾發現太陽黑子中的強磁場後，人們才逐漸意識到太陽活動週期的本質是其磁場的週期，每兩個太陽周之間會發生一次太陽南北半球的磁極反轉，所以為期11年的黑子數週期實際上是對應了為期22年的磁場週期。這樣的週期源於太陽發電機機制，該機制基於太陽對流層不同深度和不同緯度的差速自轉，將對流層的動能轉換為電磁場的能量，並令太陽磁場的軸向通量與環向通量相互轉換，從而形成了太陽週期。儘管這樣的理論模型可以解釋很多觀測現象，但是對於太陽周的預測還需要更加複雜的模型和定量的計算，無論是理論還是實踐都十分具有挑戰性。

伴隨着從上世紀開始的大量空間探測任務，太陽爆發現象與地球空間環境之間的關聯性被逐漸揭開。太陽風所攜帶的磁場與地球磁場之間的相互作用（磁場重聯）將能量注入地磁層造成磁暴，而進入地球磁場的高能粒子沿着磁場傳播到南北兩極的高層大氣，與大氣中的原子分子碰撞激發釋放能量併產生了光芒，這便是我們看到的極光。舊唐書中曾有記載，唐大曆九年（公元774年）“十二月丙子夜……東方約上有白起十餘道，如匹帛，貫五車、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅，三更後方散”。平時的極光往往只發生在地球南北兩極的高緯地區，而史書上的這次記錄卻顯示極光出現在了低緯地區，間接反映了那次太陽爆發事件的巨大威力，使得低緯地區的地球磁場也受到了影響。該史料也與南極冰層中的鈹10激增和古樹中提取到的碳14增豐相互印證。值得慶幸的是，這樣劇烈的爆發性事件還未發生在當今的信息化社會，否則，現代通信、交通等都會受到嚴重影響。

太陽週期自身的物理本質及其對行星環境與生命的影響還有待學者們的進一步研究。近年來發射的多顆科學觀測衞星可以幫助人類進一步理解這顆既熟悉又陌生的恆星。

（作者系澳大利亞悉尼大學物理系博士後）