我们不知道答案的 125 个科学问题（51）太阳周期

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我们不知道答案的 125 个科学问题（51）太阳周期

作者：张林 | 发表时间：2023-8-21 17:50 | 个人分类：科学教育 | 系统分类：科普集锦

51. 是什么原因导致了太阳磁场的活动周期？

What drives the solar magnetic cycle ?

太阳作为一个在客观世界真实存在的核聚变反应堆，为地球上的生命活动提供了源源不断的核聚变辐射能。太阳辐射到地球表面的能量分为两种：光辐射和粒子流。而太阳辐射到达地球表面的最主要的部分就是光辐射能，其大小称为天文太阳辐射量，大概为每平方米 1368 瓦，称为太阳常数。这些到达地球的能量在进入地球大气层后会被地球的大气和地面的物质逐步吸收，其中有一部分能量会被大气反射或通过大气的辐射窗口返回到太空中。

对于人类而言，这个为地球生物提供生存环境的星球无比重要，以至于人类对它的观察和研究并不仅仅限于太阳的光辐射和太阳能的利用，而是几乎在关注它的一切活动。太阳的表观变化中最常见的现象就是人类用肉眼就可以看见的巨大黑色区域：太阳黑子（sunspot），如图 1 所示。


图1 太阳和太阳黑子的放大结构

于是人们很早就开始关注太阳黑子的数目（可参考 1874 年开始的数据），发现太阳黑子的数目是随时间不断变化的，如图 2 所示。图 2(a) 给出了太阳黑子数目的变化曲线（第 24 和 25 周期是平均预测值）以及图 2(b) 给出了太阳黑子区域在太阳表面的分布。从图 2 中可以发现，太阳黑子数目上下振荡的周期大约为 11 年，而太阳黑子在太阳表面的分布呈现蝴蝶状分布（Maunder 蝴蝶图）。所以天文学家将太阳黑子最少的年称为太阳极小年（solar minimum），而太阳黑子最多的年份称为太阳极大年（solar maximum）。


图 2(a) 太阳黑子数目随时间的变化曲线和第 24 个太阳周黑子在太阳表面上的区域变化；


图 2(b) 太阳黑子在太阳表面不同纬度区域的分布图

这个太阳表面黑色区域的变化规律让天文学家非常好奇，为什么太阳表面会形成黑子，又为什么太阳黑子的变化周期大概是 11 年？进而科学家们发现，太阳黑子其实对应于太阳表面相对低温的区域，故而呈现黑色，而太阳黑子活动的周期和太阳表面磁场的变化存在着密切的关联，而这个关联可以从图 3 中显示出来（太阳磁极发生翻转时太阳黑子的数量达到最大）。


图 3 太阳黑子数目和太阳极化磁场强度的曲线

天文学家对太阳表面磁场的研究表明，每隔 11 年左右，太阳的磁场方向就会发生翻转，其磁场的翻转和变化如图 3 所示，而太阳黑子就对应于太阳表面磁力线钉扎的区域。

也就是说大约每隔 11 年，太阳就会经历一次“性格”上的改变，从平静到活跃。这个过程的具体表现为太阳黑子的增加和太阳表面磁场从偶极磁场分布逐渐沿赤道发生弯曲变形，直到南北磁极发生翻转，再逐渐增强恢复到偶极磁场的分布形式，太阳就又重新进入平静期。太阳活动的高峰期，也就是太阳极大期，是太阳黑子数量众多的时期，其间还伴有剧烈的太阳粒子流喷发（太阳风暴），将强烈的光辐射和粒子流抛入太空继而影响地球上的气候及人类的各项活动。所以太阳南北磁极的翻转发生在磁场活动的最大峰值附近，也就是太阳黑子和耀斑活动达到峰值的时候。




图 4 （上）太阳的最小时期和最大时期（下）太阳磁场的演变

但是严格来说，太阳活动的周期并不精确等于 11 年。人类自 17 世纪开始定期记录太阳黑子的变化，太阳活动高峰的时间间隔最短为 9 年，最长则可以达到 14 年，因此太阳周期活动目前从内在机制上很难确定其真正原因。现在，研究人员发现了一种追踪太阳活动周期的新的方法，不是采用记录黑子的数目，而是标记太阳表面的亮点，以及太阳大气中的小亮点，使我们能够更加细致地观察到太阳内部物质的持续流动，这些标记提供了一种新的方式来观察太阳表面磁场的演变。


图 5 太阳的亮斑

但无论以何种方式观测太阳的活动，太阳活动周期内在的原因到底是什么？科学家们相信，太阳的自转和太阳内部不同区域大气对流的不同旋转造成了太阳 22 年的磁极活动周期，但到底是什么推动这种周期活动的形成，目前还没有人能够准确地模拟出可靠结果。2017 年，一项基于非线性电机模型的数值模拟方法（nonlinear dynamo simulations）揭示了太阳等星体的磁周期行为依赖于罗士数（Rossby number）：惯性力和科里奥利力的比值。该理论采用磁流体力学方程，认为太阳内部磁场是太阳自传和太阳内部不同温度的气体对流运动产生的，而这种内部的快速对流在外部自传运动的耦合下磁场将沿着太阳赤道方向发生偏转移动，从而产生了涡旋磁场（黑子），随着磁场涡旋的紊乱，涡旋会沿着赤道两侧不断演化和移动，最后导致南北磁极忽然发生偏转，直至磁场内部对流和太阳外部宏观自旋的再一次匹配，逐渐形成相反稳定的偶极磁场分布，太阳开始进入稳定期。


图 6 太阳磁场活动机制的演示图

科学家们发现，磁活动的周期取决于恒星的自转速度（太阳由于是等离子气体组成，不同纬度自传不同，赤道自传周期约为 24.47 天）。模拟显示星体的磁活动周期和自传周期成相反关系，旋转速度越慢的恒星其磁周期的重复速度就越快。然而这样的结果并不能解释为什么太阳黑子只出现在南北纬 30 度以内的区域？是什么原因导致连续周期的太阳黑子突然将磁极翻转？为什么太阳周期的时间又如此多变？为什么不同周期太阳的活跃程度会有所不同？





这些无法准确回答的问题揭示出人类对太阳核聚变内部的很多过程目前还是一无所知，这些太阳内部的核聚变反应究竟是怎样发生并持续演化而表现出某种周期性的活跃和沉寂，对这些问题的进一步揭示，也许会为我们人类尽快掌握核聚变技术提供一个更加清晰的物理图像。