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作者：苗娟（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心） 

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太陽天氣 關(guān)鍵看黑子

太陽黑子是人們最早觀測到的太陽活動現(xiàn)象。1843年，德國天文愛好者施瓦布通過日常觀測發(fā)現(xiàn)了太陽黑子數(shù)量的多少存在11年左右的周期。之后，隨著觀測數(shù)據(jù)的增加，這一規(guī)律不斷被證實，并且人們發(fā)現(xiàn)黑子數(shù)的多少與這個時期的太陽活躍程度相對應(yīng)。于是，太陽黑子數(shù)的這種規(guī)律變化成為人們劃分太陽活動周期的標(biāo)志，黑子數(shù)量的高峰年稱為太陽活動峰年，黑子數(shù)最少年稱為太陽活動低年，兩次低年之間定為一個太陽活動周。

圖1 太陽活動周變化示意圖

至今，太陽黑子數(shù)仍是最典型、最具代表的一種太陽活動參數(shù)，人們對太陽活動周的預(yù)報主要體現(xiàn)在對太陽黑子數(shù)的預(yù)報。通過對一個活動周內(nèi)太陽黑子數(shù)的預(yù)測，我們就可以判斷未來一個太陽活動周的整體趨勢，哪個階段太陽會比較平靜，什么時候會到達太陽活動周峰年，峰年水平會有多高，太陽風(fēng)暴發(fā)生的強度和概率有多大等等。

圖2 太陽黑子數(shù)年變化

除了太陽黑子數(shù)之外，人們還發(fā)現(xiàn)了另一種能代表太陽活動周變化的參量——太陽10.7cm射電流量（F10.7）。從長期的監(jiān)測中人們還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)10.7和太陽黑子數(shù)有很強的相關(guān)性，F(xiàn)10.7值的大小也能很好地代表太陽活動的強弱，并且由于F10.7在地面就可以監(jiān)測獲取，長久以來在許多重要的電離層和中高層大氣模型中，通常都是以F10.7作為輸入來表征太陽活動的水平。因此，無論是過去、現(xiàn)在，還是未來，F(xiàn)10.7監(jiān)測在太陽活動預(yù)報和研究中都將具有舉足輕重的地位。

圖3 F10.7和黑子數(shù)關(guān)系

在長期觀測中，人們還發(fā)現(xiàn)11年大規(guī)律下還隱藏著小秩序，即在一個活動周中內(nèi)，太陽黑子的出現(xiàn)并不雜亂無章，而是非常有“秩序”，開始先是在太陽較高緯度對稱出現(xiàn)，之后逐漸向赤道推移，一周接一周，永不改變，這便形成了我們經(jīng)?？吹降拿利惖暮谧雍麍D。

圖4 太陽黑子日面位置變化蝴蝶圖

到此，我們是不是很了解太陽黑子了呢？并不是。20世紀(jì)初，美國天文學(xué)家海耳在研究黑子的磁性時，發(fā)現(xiàn)成對出現(xiàn)的太陽黑子的磁場極性總是相反，如果北半球上前導(dǎo)黑子是N極，后隨黑子則是S極，而南半球黑子則相反，并且在同一太陽活動周期內(nèi)兩個半球上黑子群的磁極性分布保持不變。當(dāng)下一個周期開始時，南北半球雙極黑子的磁極性則發(fā)生對換。因此，黑子磁場的極性分布每隔22年經(jīng)歷一個循環(huán)，稱為一個太陽磁周期。

圖5  太陽黑子磁場變化

太陽風(fēng)暴之前有哪些征兆？

1908年，海耳利用磁場能夠?qū)е鹿庾V線分裂的塞曼效應(yīng)原理推算出黑子具有3000-4000高斯的強磁場。1952年，美國巴布科克父子研制出了世界上第一臺光電磁像儀，它可以測出強度僅有1高斯的弱磁場，從而使太陽磁場的研究從黑子區(qū)域擴展到整個日面。越來越多的磁場觀測已經(jīng)證實了黑子的演化和爆發(fā)都與磁場有關(guān)。

太陽風(fēng)暴發(fā)生與否，關(guān)鍵決定于太陽黑子群的復(fù)雜程度。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，黑子群的磁場結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越容易儲存更多的磁能，也就更加容易產(chǎn)生大規(guī)模的太陽爆發(fā)活動，相反，那些面積小、磁場結(jié)構(gòu)簡單的黑子群由于沒有能力儲存更多的磁能，則幾乎不會爆發(fā)或只爆發(fā)小規(guī)模的活動。歷史上的那些強太陽風(fēng)暴的發(fā)生都起源于具有復(fù)雜磁場結(jié)構(gòu)的黑子群。因此，黑子群面積、磁場的實時監(jiān)測，可以讓預(yù)報員及時了解黑子群的發(fā)展和演化進程，為預(yù)測太陽風(fēng)暴提供強有力的證據(jù)。

圖6 黑子群與太陽爆發(fā)

如何做出“太陽天氣預(yù)報”？

通過衛(wèi)星云圖監(jiān)測，天氣預(yù)報員可以告訴你會不會刮風(fēng)、會不會下雨。太陽黑子爆發(fā)了，太陽風(fēng)暴來了，我們?nèi)绾沃?？?dāng)然要靠太陽監(jiān)測。而對太陽風(fēng)暴的監(jiān)測，最主要是對耀斑和日冕物質(zhì)拋射監(jiān)測。

耀斑是電磁輻射突然增強的一種表現(xiàn)，在太陽觀測圖上常表現(xiàn)為某區(qū)域的突然增亮，在Ｘ射線耀斑流量監(jiān)測中則表現(xiàn)為流量的快速上升。耀斑發(fā)生時，預(yù)報員通過流量的監(jiān)測可以實時判斷耀斑發(fā)生的時間和級別大小，并可以快速地預(yù)測出電離層發(fā)生擾動的區(qū)域和強度。而不同波段的耀斑成像監(jiān)測，不但清晰、詳細(xì)地展現(xiàn)耀斑的爆發(fā)過程和爆發(fā)強度，通過圖像，預(yù)報員可以及時確定耀斑發(fā)生的位置，分析所對應(yīng)的黑子群活動情況，從而預(yù)測后期的再爆發(fā)概率。

圖7 耀斑的Ha觀測和極紫外觀測

日冕物質(zhì)拋射,正如其詞義所表達的那樣，是指從太陽大氣中向行星際空間拋射出一團日冕物質(zhì)，當(dāng)其發(fā)生時，從日冕圖像中會很清楚看到明亮物質(zhì)噴出。通過連續(xù)的日冕成像圖，就可以判斷日冕物質(zhì)拋射發(fā)生的時間、拋射的方向及傳播速度等等，再結(jié)合日面黑子群和耀斑發(fā)生情況，就可以確定這團物質(zhì)的源區(qū)位置。

目前，SOHO和STEREO衛(wèi)星的的聯(lián)合監(jiān)測，實現(xiàn)了從不同角度對同一日冕物質(zhì)拋射的立體觀測，更加清晰地展現(xiàn)了日冕物質(zhì)拋射的全過程。日冕物質(zhì)拋射對地球的主要影響是引起地球磁場變化，產(chǎn)生地磁暴。而一般日冕物質(zhì)拋出后，需要約1～4天才能到達地球，這樣預(yù)報員有比較充裕的時間來分析日冕物質(zhì)拋射的特性，并根據(jù)行星際到地球空間的各種觀測資料，預(yù)測該團物質(zhì)是否會到達地球、到達地球的時間及可能對地球磁場產(chǎn)生的影響程度。

圖8 日冕物質(zhì)及地磁暴

在耀斑和日冕物質(zhì)拋射發(fā)生時，也可能伴隨有高能帶電粒子噴出，在監(jiān)測中主要表現(xiàn)為不同能量段質(zhì)子通量的增加，即我們常說的質(zhì)子事件。根據(jù)實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)報員可以判定此次質(zhì)子事件的級別、發(fā)展過程，并預(yù)測可能持續(xù)的時間，及時發(fā)出警報和預(yù)報信息。

預(yù)報員的“眼睛”——衛(wèi)星

人類對太陽活動的監(jiān)測已有幾百年的歷史，隨著人類活動進入太空，衛(wèi)星在太陽活動監(jiān)測中起到了巨大的作用。在過去半個多世紀(jì)的航天史上，有一系列經(jīng)典的衛(wèi)星被送入太空。人類對太陽的認(rèn)識，對地日關(guān)系的理解，對太陽風(fēng)暴的監(jiān)測……，離不開這些置于太空中的銳眼――SOHO、STEREO、SDO等等，將來還會更多，每顆衛(wèi)星都搭載有多種探測儀器，實現(xiàn)不同的功能。

SOHO是首當(dāng)其沖的第一顆，1995年12月2日發(fā)射升空，目前仍在服役當(dāng)中?？梢院敛豢鋸埖卣f，在SOHO之前人類從未有過這樣的機會，可同時對整個太陽，從內(nèi)到外進行如此綜合的探測。此后2006年發(fā)射的STEREO雙子星，2010年發(fā)射的SDO，一顆又一顆的“大眼睛”，為人類揭示著這個神秘氣體球的多種面孔。

圖9 SOHO衛(wèi)星對太陽的探測

向它們致敬，更向其身后的科學(xué)家們致敬?。?！