太阳黑子活动与磁极反转的关系
太阳黑子活动与磁极反转的关系
赵孔儒
2010年6月
什么是太阳黑子？
太阳黑子是在光球层（太阳的可看见表面区域）上比周围太阳表面较暗的一些区域。太阳黑子看起来比较暗是因为其温度比周围低。其实，他们是非常光的。太阳黑子会持续数小时至数个月。太阳黑子会随著太阳自转围绕太阳表面移动。太阳黑子往往一双一对或成群出现。太阳黑子的形成是与太阳的磁场扰动有关联的。
什么是太阳黑子活动周期？
太阳黑子出现的数量有周期性变化。在周期内，太阳活动由低潮进入高潮时，黑子数量增多，黑子数量出现最多的期间或年份，也是太阳活动最活跃的时期，太阳磁暴经常出现，称为「太阳活动极大期」；然后太阳活动再由高潮进入低潮时，黑子数量减少；黑子数量出现最少以至没有黑子出现的期间﹙以年份计﹚，也是太阳活动相对地最安静的时期，称为「太阳活动极小期」。一个太阳黑子周期通常是指，从一个「太阳活动极小期」开始，至下一个「太阳活动极小期」到来时结束的一段期间。这段时间前后持续大约是11年，便是太阳黑子活动周期。
什么是太阳磁极反转周期﹙太阳磁场活动周期﹚？
太阳的南北磁极大约每隔11年反转一次，初时的磁北极后来会变成磁南极，而初时的磁南极后来会变成磁北极；大约每22 年经过二次磁极反转，太阳的磁北极和磁南极便会回复原本的位置。因此，太阳的磁极反转或磁场逆转周期是大约22年。
太阳的磁场为什么会改变？
在太阳自转的期间，太阳表层内出现的磁力线会随著旋转。太阳的物质是流体，不是一个固体，没有如地球的坚硬岩石地壳。太阳的自转速度随太阳纬度增加而减慢，即旋转速度在接近南北极地区时较少，称为差动自转现象(differential rotation)。太阳在赤道自转一周的周期大约是25日，而在纬度60度自转一周的周期则较长，大约是29.3日。由于太阳旋转速度的差异，内藏在太阳赤道附近的磁力线的旋转速度也最高；初期在太阳沿著南北经向方向的磁力线会渐渐卷曲或扭曲起来，磁场因此跟著产生变化。
太阳黑子活动发展有什么特征？
在太阳黑子周期开始期间，太阳黑子往往在太阳北南半球30至35度附近出现。以后，太阳黑子会倾向在太阳较低纬度地区出现。接近太阳黑子周期完结期间，太阳黑子可在太阳南北半球5度附近出现。
太阳黑子常常是一对或成群地出现的，是在一个双极磁区﹙bipolar magnetic region﹚内，带有强力磁场，出现在扭曲的太阳表层磁力线内。如果其中一个黑子是磁南极，另外一个黑子便是磁北极。两个黑子由环形弧状的强力磁力线连接著。太阳黑子初时是一前一后出现的，两个黑子的东西方向连线大致上与赤道平行。在前面﹙相对太阳自转方向﹚的一个黑子﹙p，前导黑子﹚一般较大而较为明显，寿命也较长。在太阳北半球，前面的一个黑子会倾向靠近太阳赤道，在后面的一个黑子﹙f，尾随黑子﹚会倾向靠近太阳北极。同样，在太阳南半球，前面的一个黑子亦倾向靠近太阳赤道，在后面的一个黑子则倾向靠近太阳南极。太阳黑子的数量会随著太阳活动变得活跃而增加。
喜(Joy)定律和黑尔(Hale)定律
太阳黑子对或太阳黑子群因前导黑子较尾随黑子靠近赤道而倾斜，倾斜角度随纬度增加而增加。太阳黑子对的倾斜现象称为喜 (Joy)定律。
太阳活动极小期以后，新太阳黑子周期的黑子在高纬度地区出现，在北半球和南半球展现相反的磁场极性。随著周期的进展，在南北半球出现的太阳黑子平均纬度稳定地降低，太阳黑子将较接近赤道出现，而它们的磁场极性没有改变。然而，在下一个太阳黑子周期形成的太阳黑子，它们的磁场极性会倒转。这个太阳黑子磁极倒转现象由美国天文学家黑尔(G.E. Hale)发现，称为黑尔(Hale)定律。
图1︰巴布科克(Babcock)的太阳磁场周期模式
太阳黑子活动与太阳磁极反转有什么关系？
巴布科克(Babcock)的太阳磁场周期模式（图1）解释了这个关系。在太阳活动的活跃最盛期间﹙太阳活动极大期﹚，太阳黑子之间的凸出环形管状磁力线成长增大后会与黑子断裂分开，再与太阳外面附近的磁力线重新联系连接，在太阳外面整合成独立的磁力线循环回路，使磁力线重联。另一方面，太阳里的磁力线和黑子群的磁力线会经过中和互相抵消减弱及重新连接，使磁力线重联而渐渐组织成新的太阳磁场和南北磁极。因此，太阳黑子活动和太阳磁场重组逆转是有关联的。若果把太阳磁场变更计算在内，那麽太阳黑子活动周期便应该是大约22年。
参考资料：
[1] "The Topology of the Sun's Magnetic Field and the 22-Year Cycle", by H. W. Babcock, Astrophysical Journal, vol. 133, p.572, 03/1961.
[2] "The Law of Sun-Spot Polarity", by George E. Hale, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Volume 10(1): pp53–55. January 1924.
[3] "Sunspot group tilt angles and the strength of the solar cycle", by M. Dasi-Espuig, S. K. Solanki, N. A. Krivova, R. H. Cameron, and T. Penuela, Astronomy & Astrophysics, May 12, 2010.
[4] "The Solar Dynamo", The National Aeronautics and Space Administration (NASA).
[5] "How Sunspots are Thought to Develop", Windows to the Universe, at the website of University Corporation for Atmospheric Research (UCAR).
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