太陽“發脾氣”為何還有個週期？
科學家普遍認為，太陽活動週期大約為11年。太陽活動週期不僅是太陽上黑子出現多少的週期性體現，更是太陽向周圍空間釋放能量、太陽爆發活動，以及太陽風暴發生的週期性展現。
◎本報記者 唐 芳
據悉，中國首顆綜合性太陽探測專用衞星“先進天基太陽天文台”（ASO-S）將於今年10月擇機發射。利用第25個太陽活動周的契機，ASO-S以“一磁兩暴”為科學目標，對太陽耀斑、日冕物質拋射和全日面矢量磁場開展同時觀測，為嚴重影響人類正常生活的空間災害性天氣預報提供支持。
“目前我們處在第25個太陽活動周的上升期，太陽活動日益頻繁。今年下半年是對太陽開展系統深入觀測的最佳窗口期之一。”中國科學院國家天文台研究員譚寶林對科技日報記者表示。
科學家普遍認為，太陽活動週期大約為11年。那麼科學家是如何發現這個規律的？太陽活動為什麼會有周期性？太陽活動週期對於太陽科學觀測和日常生活有何影響？
從250年太陽黑子記錄中總結規律
太陽平日裏並不“安靜”。中國科學院國家空間科學中心研究員顏毅華介紹，太陽上會出現黑子、耀斑和日冕物質拋射等太陽爆發活動導致的瞬變現象。此外，太陽還會持續不斷地往外“吹”出高温帶電粒子流，即太陽風。
“太陽黑子是太陽活動的基本標誌。”譚寶林説，黑子像太陽“臉上的痣”。但實際上，一箇中等黑子的大小就和地球差不多，而且黑子本身並不黑，只是温度比太陽光球層低而顯得黑。現有研究表明，黑子的這種低温是強磁場所致，其磁場強度大約比地球磁場大1萬倍。
1610年，意大利天文學家伽利略用天文望遠鏡觀測到了太陽黑子。到了1851年，德國天文學愛好者施瓦貝通過17年的連續觀測及繪圖，發現太陽黑子數存在10年左右的週期。
受施瓦貝的啓發，瑞士蘇黎世天文台台長沃爾夫經過分析整理，獲得了超過250年的太陽黑子記錄。沃爾夫發現，當太陽黑子數或黑子羣增多時，太陽活動現象如日珥、耀斑等也相應地增強。因此，沃爾夫提出，太陽黑子數可以代表太陽活動的平均水平。
沃爾夫還觀測到，太陽黑子數隨時間呈週期性變化，短則9年，長則接近14年，平均約為11.1年。他將1755年至1766年命名為第1個太陽活動周。據此，目前我們處在第25個太陽活動周的上升期。
隨後，德國天文學家斯波勒發現，太陽黑子出現的緯度位置隨太陽活動周也呈現出週期性變化，這就是斯波勒定律。每一個太陽活動周開始時，黑子出現在太陽南北半球緯度30度至45度附近，隨着太陽活動周的發展，黑子逐漸向赤道靠近。在太陽活動周的極大年（黑子數量最多的年份），黑子羣主要出現在太陽南北緯15度附近；而在活動周的末期，黑子羣則主要出現在太陽南北緯8度附近。
1904年，英國天文學家蒙德夫婦將太陽黑子在日面緯度的分佈變化過程繪製成圖，圖中的太陽黑子分佈呈蝴蝶狀。
顏毅華介紹，1908年，美國天文學家海耳發現太陽黑子是太陽上的強磁場區域，第一次證實了宇宙天體中磁場的存在，也揭示了太陽活動是由太陽磁場引發的。
太陽活動週期還無法準確預報
驅動太陽產生磁週期的原因是什麼？這一問題被《科學》雜誌列為125個最前沿的科學問題之一。
“恆星尺度上的磁場如果自然衰減，需要100多億年的時間。但是太陽南北兩個半球的黑子磁極是相反的，還存在22年的磁極轉換週期，即每11年磁場極性反轉一次。這顯示太陽不是一顆普通的恆星，它的磁場不是自然衰減。”顏毅華説。
為揭示太陽磁場的起源，1955年美國天體物理學家帕克提出太陽發電機理論。譚寶林解釋説，太陽是一個快速旋轉的等離子體“大火球”，等離子體是良導體，其內部物質的運動有可能在局部區域形成電流，而電流又可以形成感生磁場，這個過程被形象地稱為太陽發電機過程。太陽發電機理論是解釋地球、太陽和其他天體磁場起源的理論基礎。
“太陽發電機理論不僅能説明太陽磁場的起源，而且能解釋22年的磁週期，還與黑子‘蝴蝶圖’的緯度分佈以及觀測結果能夠較好地吻合。但是該理論目前尚不能準確預報太陽活動的週期，無法解釋太陽黑子呈現的各種週期以及週期的不規則性。”顏毅華指出。
上世紀60年代，美國科學家巴布科克父子和萊頓等人提出了一種早期太陽發電機模型：太陽較差自轉、太陽偶極磁場、子午環流三者之間的相互作用，造成了太陽活動的週期性，該模型被稱為巴布科克—萊頓模型。之後一些天文學家在該模型的基礎上，利用數值模擬，能對一些太陽活動週期進行半定量的預測。
譚寶林介紹，巴布科克—萊頓模型基於太陽的3個基本事實，第一個是太陽上存在較差自轉，即太陽不同緯度處的自轉週期不同，太陽赤道附近的自轉較快，週期大約是27天，隨着緯度的增加，自轉逐漸變慢，在南北緯度45度附近，自轉週期大約為31天，到兩極地區，自轉週期接近40天左右。
第二，在太陽寧靜區（沒有黑子的區域）和兩極地區均存在較弱的磁場，並且太陽南北半球磁場方向相反。
第三，太陽對流層中存在子午環流，即太陽表面的物質從赤道向極區流動，而在太陽對流層底部的物質則從極區向赤道流動，形成閉合環流，這種現象被稱為太陽子午環流。
但在譚寶林看來，發電機模型仍然是半定量的經驗模型，人們至今都無法從理論上準確解釋到底是哪些物理因素決定了太陽活動週期的長度和發生時間，以及為什麼太陽活動週期大約是11年。
會對衞星、電網系統等造成嚴重影響
譚寶林指出，太陽活動週期不僅是太陽上黑子出現多少的週期性體現，更是太陽向周圍空間釋放能量、太陽爆發活動，以及太陽風暴發生的週期性展現。
“研究太陽活動週期將對許多學科的發展產生重要影響。”譚寶林表示，對太陽活動周的起源研究，將幫助我們更好地理解太陽以及宇宙中與太陽類似的眾多恆星的形成與演化過程。
此外，對太陽活動周的研究還有助於更好地預測未來空間天氣活動的發展趨勢，提前獲悉未來太陽爆發活動及太陽風暴可能發生的情況。
“對太陽活動周的研究還可能直接推動等離子體物理、流體物理和天體物理學等學科的發展，甚至對工程技術方面也會產生重要影響。”譚寶林説。
太陽活動周對於普通人的生活影響大嗎？顏毅華表示，一般情況下並不算大，甚至沒有直接的影響。但是，太陽活動會對衞星系統、電網系統等產生非常顯著的影響，甚至會對其造成嚴重破壞，從而間接影響人們的生活。比如導致手機信號變弱或丟失、無法使用導航等。
例如，1859年的卡林頓太陽耀斑事件嚴重破壞了當時的全球電報網絡，讓人類第一次認識到太陽活動對地球空間環境的影響；1989年3月，狂暴的日冕物質拋射引發了極強的地磁爆，導致加拿大魁北克省電網在90秒內全面癱瘓，造成直接經濟損失約5億美元；2003年10月的重大太陽活動事件，造成全球範圍短波通信中斷，超視距雷達、民航通信中斷，瑞典電網中斷1小時，全球定位系統導航出現故障，多顆科學衞星數據丟失等。
此外，中國科學院科學傳播研究中心副主任袁嵐峯表示，太陽黑子的長期變化還和地球氣候密切相關。例如，1300年至1850年是一個小冰河時期，當時太陽的活動就顯著弱於後續年代的平均水平。