[科普中國]-太陽黑子周期

概念黑子周期

【太陽黑子周期】（sunspot cycle）黑子活動(dòng)各種時(shí)間尺度的準(zhǔn)周期性變化，最著名的是太陽黑子11年周期。

太陽黑子相對數(shù)變化曲線1843年德國藥劑師施瓦貝（H．S. Schwabe），通過他自己對太陽黑子二十余年的觀測記錄，發(fā)現(xiàn)太陽黑子的消長有一個(gè)10年左右的周期。1848年沃爾夫（J.R.Wolf)引入太陽黑子相對數(shù)，并將逐月黑子相對數(shù)推算到1749年，從而肯定地指出太陽黑子活動(dòng)的周期平均長度為11．1年。右圖為1749年到1980年年平均黑子相對數(shù)變化曲線。從圖上可以清楚地看到，二百多年來太陽黑子數(shù)的變化明顯地保持了平均11年左右的周期性。在每一個(gè)周期中，黑子從最少年開始，在3－5年中增大，達(dá)到一個(gè)極大值（或峰值），然后在隨后的5—7年再減小到一個(gè)極小值（或谷值）。相對應(yīng)的年份分別稱為黑子極大年（或峰年，用M年表示）和黑子極小年（或谷年，用m年表示）。實(shí)際上太陽黑子周期長度在7．3年到16.1年之間。太陽黑子11年周期又稱太陽活動(dòng)周期。一般以黑子最少的年份作為太陽活動(dòng)周期開始的年份。

按規(guī)定，從1755年開始的周期作為太陽活動(dòng)的第1周，第21周是1976年開始的。隨著對太陽活動(dòng)研究的深入，又相繼發(fā)現(xiàn)了22年左右的太陽活動(dòng)磁周期、80－90年的太陽活動(dòng)世紀(jì)周期以及200年左右的太陽活動(dòng)雙世紀(jì)周期等。

太陽黑子周期是指太陽黑子活動(dòng)變化規(guī)律所具有的周期性。其周期為兩個(gè)極小值之間的時(shí)間，長的約為14a，短的約為8.5a，平均長度為11.1a.開始4a中，黑子不斷產(chǎn)生，活動(dòng)加劇，以后7a中，大黑子群逐漸減弱、消失.德國人施瓦布(Schwabe，S.H.)堅(jiān)持17a對太陽黑子的觀測，于1843年發(fā)現(xiàn)太陽黑子的消長有約10a的平均周期.到了1848年，瑞士天文學(xué)家沃爾夫(Wolf，J.R.)整理了1609年天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以來的200多年太陽黑子記錄，證實(shí)了太陽黑子活動(dòng)周期的存在，周期平均長度為11.1a，即太陽黑子11a周期.黑子數(shù)從1700年起已有年總量值，1749年起有更詳盡的月總量值，故國際上統(tǒng)一規(guī)定，從1755年這一年黑子數(shù)最低點(diǎn)開始的那個(gè)11a周期作為第一個(gè)周期，往后順次排出每個(gè)11a周期的號數(shù)，從1986年起開始進(jìn)入第22個(gè)11a周期.太陽黑子周期除11a基本周期外，1919年，美國天文學(xué)家黑爾(Hale，G.E.)等人根據(jù)黑子磁場的極性分布經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)約需22a，提出太陽黑子22a磁性周期(亦稱磁周期).隨著對太陽活動(dòng)研究的深入，于20世紀(jì)中葉，格萊斯堡(Gleissberg，W.)等人又發(fā)現(xiàn)太陽黑子80a周期，此外，還有人提出許多更長的周期(178a、400a、1700a、2000a的周期等)或更短的周期(小于1a的)。

磁周期【太陽活動(dòng)磁周期】（solar magnetic cycle)太陽黑子磁場極性的轉(zhuǎn)換周期。黑子具有明顯的磁場，且太陽南北兩半球黑子的磁極是相反的。如果北半球處在黑子群前面的先行黑子具有正磁極的話，那么在南半球的先行黑子則具有負(fù)磁極。但同一半球黑子的極性是相同的。它們的對應(yīng)關(guān)系隨著黑子11年周期陽變化而相互逆轉(zhuǎn)。所以根據(jù)黑子磁場極性來劃分一個(gè)太陽活動(dòng)整周期不是11年，而是黑子11年周期的兩倍，即22年，稱為磁極性轉(zhuǎn)換周期，簡稱為太陽活動(dòng)磁周期。黑子的這一重要特征是1913年海爾（G.E.Hale）發(fā)現(xiàn)的，所以太陽黑子22年磁周期又叫“海爾周期”（Hale cycle）。

由于太陽活動(dòng)第9周至第17周的9個(gè)11年周期峰值恰好高低相間，所以過去習(xí)慣地把海爾周期包括的兩個(gè)11年周期分別稱作“主高周期”與“次高周期”，前者亦稱奇數(shù)周期，后者稱偶數(shù)周期。但是海爾周期究竟是從奇數(shù)周期開始還是從偶數(shù)周期開始，尚無定論。威列特（H．C．Willett)主張以偶數(shù)周期作為22年周期的起點(diǎn)，而斯萊波（H．P．Sleeper）則主張以太陽北半球上帶頭黑子的極性為準(zhǔn)，稱為正、負(fù)周期。

世紀(jì)周期【太陽活動(dòng)世紀(jì)周期】（ 80—90 year cycle of solaractivity）時(shí)間約為80—90年的太陽黑子周期。從黑子11年周期變化曲線上可直觀地看出，一般在連續(xù)3、4個(gè)11年高峰后便接連3、4個(gè)11年低峰，總共持續(xù)的年數(shù)近于一個(gè)世紀(jì)，故稱世紀(jì)周期。20世紀(jì)中葉，格萊斯堡（W.Gleissberg）取黑子11年周期的極大值Rm的百年平滑值進(jìn)行分析，即

太陽活動(dòng)周期公式則Rm平滑值的變化曲線有著明顯的周期性，極大值位于第3周和第9周，極小值位于第6周和第14周，所以有人亦將此周期稱為格萊斯堡周期。以后在分析黑子其它參數(shù)的變化時(shí)，也得到類似結(jié)果。不過由于研究者所取方法不同，世紀(jì)周期的起止年份也不同。根據(jù)紹夫（J．Schove）收集、整理的古代黑子資料分析，世紀(jì)周期最短的只有40年，最長的可達(dá)120年。而且世紀(jì)周期越強(qiáng)，它的上升期也越長。太陽活動(dòng)世紀(jì)周期反映了太陽活動(dòng)平均強(qiáng)度的變化規(guī)律。

雙周期【太陽活動(dòng)雙世紀(jì)周期】（200 year cycle of solaractivity）時(shí)間為200年左右的太陽黑子周期。功率譜分析證實(shí)，黑子11年周期峰值的變化有188—212年的顯著周期。由于這個(gè)周期是由兩個(gè)世紀(jì)周期組成的，其長度約為世紀(jì)周期長度的二倍，故名。又因?yàn)檫@個(gè)周期和九大行星178．7年的會(huì)合周期接近，所以有人又稱之為太陽活動(dòng)的行星周期。

奇異景象1904年，英國天文學(xué)家愛德華·蒙德發(fā)現(xiàn)了一幅奇異的景象，記錄太陽黑子周期變化的圖表竟然呈現(xiàn)出一幅展翅欲飛的蝴蝶圖案。

蒙德以緯度為縱坐標(biāo)，以時(shí)間（年份）為橫坐標(biāo)，繪出太陽黑子的分布圖后，發(fā)現(xiàn)漸漸靠近赤道的太陽黑子就像蝴蝶的兩只翅膀。如果把幾個(gè)太陽黑子周期的圖案繪制在一起，就組成了一連串翩翩起舞的“蝴蝶”。

如今，科學(xué)家們正致力于研究這個(gè)神奇的太陽黑子“蝴蝶圖”。太陽天文學(xué)家諾頓說，要想揭開謎底，首先要從所謂的太陽發(fā)電機(jī)效應(yīng)（Solar Dynamo）說起。她說：“太陽發(fā)電機(jī)效應(yīng)是太陽物理學(xué)中最為神秘的事物之一，它指的是在太陽內(nèi)部和太陽表面的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成磁能的過程。”

因?yàn)樘柡谧踊顒?dòng)區(qū)域被認(rèn)為是強(qiáng)磁場區(qū)，同時(shí)太陽黑子會(huì)在11年的周期內(nèi)發(fā)生增多和減少的現(xiàn)象，所以科學(xué)家認(rèn)為太陽磁場也會(huì)在這一時(shí)期內(nèi)增強(qiáng)或減弱。諾頓說：“太陽黑子周期的循環(huán)性是證明太陽內(nèi)部磁場在這個(gè)周期里發(fā)生變化有力的證據(jù)。”

諾頓和她的同事建立了太陽表面和內(nèi)部的不同種類的熱氣流電腦模型，他們認(rèn)為這有助于更好地了解太陽發(fā)電機(jī)效應(yīng)，同時(shí)也有助于解釋太陽黑子移動(dòng)產(chǎn)生“蝴蝶圖”的原因。

諾頓的同事吉爾曼說，對于太陽黑子活動(dòng)圖為什么會(huì)呈現(xiàn)蝴蝶圖案這個(gè)問題，如今還沒有一個(gè)統(tǒng)一的科學(xué)結(jié)論。其中，最主要的理論是以吉爾曼同事迪科派蒂的電腦模擬為基礎(chǔ)的。

迪科派蒂的電腦模擬將太陽黑子的移動(dòng)和被稱為經(jīng)向流的等離子流聯(lián)系了起來。經(jīng)向流在太陽赤道和兩極之間流動(dòng)，它的全部過程被稱之為太陽活動(dòng)周期。

經(jīng)向流就像擁有兩個(gè)傳送帶的系統(tǒng)。這兩條“傳送帶”一個(gè)位于北半球，一個(gè)位于南半球，每個(gè)“傳送帶”都沿著太陽表面，從赤道運(yùn)動(dòng)到北極或是南極。到達(dá)極地時(shí)，每條“傳送帶”會(huì)轉(zhuǎn)個(gè)彎，進(jìn)入太陽內(nèi)部。經(jīng)向流經(jīng)過太陽內(nèi)部的最外層即環(huán)流區(qū)返回到赤道。當(dāng)“傳送帶”到達(dá)太陽赤道時(shí)，它又會(huì)轉(zhuǎn)頭沿著來的路徑，重新回到太陽表面，開始新一輪的循環(huán)。

一個(gè)太陽活動(dòng)周期的時(shí)間為22年，或者說是兩個(gè)太陽黑子周期。這個(gè)理論認(rèn)為，“傳送帶”的兩半都擁有相似的太陽黑子圖案，這就是為什么太陽黑子活動(dòng)遵循著11年的周期——等于太陽活動(dòng)周期的一半。

根據(jù)迪科派蒂的的理論，太陽黑子在太陽表面流動(dòng)會(huì)留下痕跡，這種痕跡還被帶到太陽內(nèi)部，科學(xué)家們相信，太陽黑子的磁場在這里形成，而新的太陽黑子則是在最 近周期內(nèi)的痕跡上形成的。

通過了解經(jīng)向流速度的變化以及過去的太陽黑子周期，迪科派蒂和同事相信他們也許能夠預(yù)測太陽黑子活動(dòng)的時(shí)間和強(qiáng)度，從而也能對太陽風(fēng)暴有所了解。他說：“事實(shí)上，在最近的工作中，我們預(yù)測因?yàn)榻?jīng)向流在目前周期內(nèi)的速度放慢，所以下一個(gè)周期，即周期24的開始將會(huì)被推遲?！?

最佳理論中新社南京2月16日電 (記者 唐娟)“從今天至明后幾天，地球上的手機(jī)通迅可能會(huì)受到干擾。出現(xiàn)突然中斷或是有噪音的情況。”針對第24個(gè)太陽活動(dòng)周期開始后，首次爆發(fā)的X級別耀斑將對地球產(chǎn)生的影響，中國科學(xué)院紫金山天文臺從事太陽物理研究的研究員寧宗軍16日接受記者采訪時(shí)這樣解釋。

寧宗軍說?！氨驹?4日，出現(xiàn)了一個(gè)M6.6級耀斑，在隨后的24小時(shí)內(nèi)，接連產(chǎn)生很多次C級到M級光斑，15日上午9時(shí)許，我們觀測到一個(gè)達(dá)到X2.2級別的耀斑正向地球而來。將在2到3天內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的對地效應(yīng)?！睂幾谲娭钢娔X上SDO衛(wèi)星觀測圖像向記者解釋。

據(jù)了解，這是第24太陽活動(dòng)周開始以來的第一次X級耀斑，也是本次太陽活動(dòng)周迄今最大級別的耀斑爆發(fā)。

太陽活動(dòng)周期，是太陽黑子數(shù)及其他現(xiàn)象的準(zhǔn)周期變化，大約11年為一個(gè)周期。伴隨著黑子群，將會(huì)有不同級別的日冕物質(zhì)拋射(耀斑)現(xiàn)象。根據(jù)預(yù)測，第24太陽活動(dòng)周期從2008年12月開始，2013年左右至峰值，其后，太陽黑子將逐漸減少。

耀斑發(fā)生后，大量高能帶電粒子和強(qiáng)烈的電磁輻射被拋射出來。如果正向地球的方向。將會(huì)影響地球空間環(huán)境，干擾地球磁場和高空電離層。使得短波無線通訊信號中斷，軍用，民用航空通信，全球定位系統(tǒng)信號，甚至手機(jī)和銀行自動(dòng)取款機(jī)都有可能受到干擾，影響人們的正常生活和生產(chǎn)活動(dòng)。2003年10月底，科學(xué)家目睹了一場有記錄以來最大的太陽耀斑爆發(fā)。耀斑級別達(dá)到X28。致使瑞典南部的5萬戶居民短暫失去電力供應(yīng)。而就在此間，記者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，手機(jī)通訊過程中會(huì)出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象。

“我們把日冕物質(zhì)拋射的級別分為A、B、C、M、X五個(gè)級別，其中A為最小級別，X為最大級別”。寧宗軍表示：“此次日冕物質(zhì)拋射對地球的影響不會(huì)很嚴(yán)重。從目前來看，太陽黑子的活動(dòng)才開始頻繁。今天在衛(wèi)星圖像上仍能看到八個(gè)以上的黑子群。未來仍有可能爆發(fā)X級以上耀斑?！?/p>

對于第24太陽活動(dòng)周期峰值時(shí)，是否會(huì)有不可預(yù)計(jì)規(guī)模的太陽風(fēng)暴襲擊地球，是否會(huì)給地球帶來無法預(yù)計(jì)的磁暴災(zāi)難。寧宗軍表示“應(yīng)該不會(huì)?！睋?jù)他介紹，根據(jù)過去一百多年對太陽黑子活動(dòng)的觀測和記錄分析，第24太陽活動(dòng)周期太陽黑子極大數(shù)值應(yīng)該在70個(gè)左右。而這個(gè)數(shù)值僅為上一個(gè)也就是2003年第23太陽活動(dòng)周期峰值的一半，“因此大家不必恐慌”。

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中新網(wǎng)6月16日電 據(jù)臺灣《聯(lián)合報(bào)》16日報(bào)道，美國科學(xué)家表示，天文學(xué)界熟悉的太陽黑子周期，似乎進(jìn)入17世紀(jì)以來首見的冬眠期，可能對全球產(chǎn)生輕微的降溫作用。上次太陽黑子冬眠期長達(dá)70年，俗稱小冰河期，在1715年結(jié)束，距今已將近300年。

科學(xué)家多年前認(rèn)為，太陽可能在2012年左右進(jìn)入閃焰與黑子活動(dòng)最劇烈的狀態(tài)，但卻呈現(xiàn)令他們好奇的相對平靜狀態(tài)。美國科學(xué)家14日在新墨西哥州出席美國天文學(xué)會(huì)太陽物理年會(huì)并發(fā)表3項(xiàng)報(bào)告，表示太陽黑子冬眠的具體征兆包括噴射氣流消失、黑子黯淡，以及極區(qū)附近的活動(dòng)減緩。

美國國家太陽觀測站的希爾表示：“這種現(xiàn)象極不尋常，而且令人意外。然而3種關(guān)于太陽的不同觀點(diǎn)研究報(bào)告殊途同歸，意味太陽黑子周期可能即將進(jìn)入冬眠狀態(tài)?！?/p>

太陽活動(dòng)增強(qiáng)、減弱大約間隔11年，每次增減代表太陽22年磁極反轉(zhuǎn)間隔期的大約一半。

根據(jù)文獻(xiàn)，在1645年至1715年之間的所謂“蒙德極小期(Maunder Minimum)”，科學(xué)家在這70年間幾乎無法觀察到任何太陽黑子，這段時(shí)間俗稱“小冰河期”。天文學(xué)家正在探討太陽黑子再度靜止，是否意味第2次蒙德極小期即將來臨。

希爾表示：“如果我們分析正確，這可能是未來數(shù)十年我們經(jīng)歷的最后一次黑子劇烈活動(dòng)期。它將影響太空探險(xiǎn)以至全球氣候等各方面。”

科學(xué)家表示，與太陽黑子活動(dòng)減弱有關(guān)的全球氣溫變化幅度很小，不足以抵銷溫室效應(yīng)氣體對全球暖化的影響。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的太陽物理學(xué)家茱蒂絲?林恩表示：“根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最近幾次太陽活動(dòng)11年周期影響全球平均氣溫的變化，大約只有攝氏0.1度。”

如果周期停止或減緩，地表氣溫的細(xì)微變化也會(huì)如此，導(dǎo)致黑子活動(dòng)極小化的微幅冷卻效果消失?？茖W(xué)家曾經(jīng)在上一次的太陽周期進(jìn)入尾聲時(shí)，觀察到這種現(xiàn)象。

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太陽活動(dòng)與溫度變化利用Shcvoe推算出的2500多年太陽黑子極值出現(xiàn)的年份得到了2500多年來的太陽黑子周期長度,將其與北半球部分地區(qū)溫度對比,發(fā)現(xiàn)太陽黑子周期長時(shí)北半球溫度低,太陽黑子周期短時(shí)北半球溫度高;快周期持續(xù)時(shí)間越長暖期持續(xù)時(shí)間也越長,反之亦然。最后,利用太陽黑子周期長度和萬年尺度的溫度變化趨勢擬合了2500多年來的溫度變化,它與我國溫度和極區(qū)溫度有一定的可比性。4