为什么太阳“发脾气”还有周期？

科学家普遍认为太阳周期约为11年。太阳周期不仅是太阳黑子数量的周期性表现，也是太阳向周围空间释放能量、太阳爆发和太阳风暴发生的周期性表现。

据悉，中国首颗综合性太阳探测卫星“先进天基太阳天文台”(ASO-S)将于今年10月发射。利用第25个太阳活动周的契机，ASO-S以“一个磁场两个风暴”为科学目标，同步观测太阳耀斑、日冕物质抛射和全天矢量磁场，为严重影响人类生活的空间灾害性天气预报提供支持。

“目前我们正处于第25个太阳活动周的上升期，太阳活动越来越频繁。今年下半年是系统深入观测太阳的最佳窗口期之一。”中科院国家天文台研究员谭林宝告诉科技日报记者。

科学家普遍认为太阳周期约为11年。那么科学家是如何发现这个规律的呢？为什么太阳活动是周期性的？太阳周期对太阳科学观测和日常生活有什么影响？

从250年的太阳黑子记录中总结规律

平日里的太阳并不“安静”。中科院国家空间科学中心研究员严义华说，太阳上会出现黑子、耀斑、日冕物质抛射等太阳爆发引起的瞬变现象。此外，太阳还会继续“吹出”高温带电粒子流，也就是太阳风。

"太阳黑子是太阳活动的基本标志."谭林宝说，太阳黑子就像太阳“脸上的痣”。但实际上，一个中等大小的黑子大约有地球那么大，黑子本身并不黑，只是温度低于太阳光球层而呈现黑色。现有研究表明，太阳黑子的这种低温是由强磁场引起的，其磁场强度比地球大一万倍左右。

1610年，意大利天文学家伽利略用天文望远镜观察太阳黑子。1851年，德国天文学家施瓦贝通过17年的连续观测和绘图，发现太阳黑子数约有10年的周期。

受施瓦贝的启发，瑞士苏黎士天文台台长沃尔夫经过分析和整理，获得了250多年的太阳黑子记录。沃尔夫发现，当太阳黑子或黑子群的数量增加时，日珥、耀斑等太阳活动现象也相应增加。因此，沃尔夫提出太阳黑子的数量可以代表太阳活动的平均水平。

沃尔夫还观察到太阳黑子的数量随时间呈周期性变化，从9年到近14年不等，平均约为11.1年。他将1755年至1766年的第一个太阳活动周命名为太阳活动周。因此，我们目前正处于第25个太阳周期的上升期。

后来德国天文学家斯佩克发现，太阳黑子的纬度位置随太阳周期周期性变化，这就是斯佩克定律。在每个太阳周期的开始，太阳黑子出现在太阳南北半球纬度30度到45度附近。随着太阳活动周期的发展，太阳黑子逐渐接近赤道。在太阳活动周期的最大年(黑子数量最多的一年)，黑子群主要出现在太阳南北纬15度附近；活动周期结束时，黑子群主要出现在太阳南北纬8度附近。

1904年，英国天文学家蒙德和他的妻子绘制了太阳黑子在太阳所在纬度的分布图，图中的黑子呈蝴蝶状。

严义华介绍，1908年，美国天文学家海尔发现太阳黑子是太阳上的强磁场，首次证实了宇宙天体存在磁场，也揭示了太阳活动是由太阳磁场触发的。

太阳周期无法准确预测。

是什么驱动太阳产生磁循环？这个问题被《科学》杂志列为125个前沿科学问题之一。

“如果恒星尺度的磁场自然衰减，需要100多亿年。但太阳南北半球的黑子磁极相反，仍存在22年的磁极转换周期，即磁场极性每11年反转一次。这说明太阳不是一颗普通的恒星，它的磁场不是自然衰减的。”严义华说。

为了揭示太阳磁场的起源，美国天体物理学家帕克于1955年提出了太阳发电机理论。谭林宝解释说，太阳是一个快速旋转的等离子“火球”。等离子体是一种良导体，其内部物质的运动可能在局部区域形成电流，进而可以形成感应磁场。这个过程被形象地称为太阳能发电机过程。太阳发电机理论是解释地球、太阳和其他天体磁场起源的理论基础。

“太阳发电机理论不仅可以解释太阳磁场的起源，还可以解释22年的磁周期，这与太阳黑子‘蝴蝶图’的纬度分布和观测结果非常吻合。但这一理论目前还不能准确预测太阳活动的周期，也不能解释太阳黑子的各种周期和周期的不规则性。”严义华指出。

20世纪60年代，美国科学家巴布科克父子和莱顿提出了早期的太阳发电机模型：太阳自转不良、太阳偶极磁场和经圈环流之间的相互作用造成了太阳活动的周期性，被称为巴布科克-莱顿模型。后来，基于这个模型，一些天文学家可以利用数值模拟半定量地预测一些太阳活动周期。

谭介绍说，巴布科克-莱顿模型是基于太阳的三个基本事实。第一种是太阳上自转差，即太阳不同纬度的自转周期不同，太阳赤道附近自转周期较快，周期约为27天。随着纬度的增加，自转逐渐变慢，在南北纬45度附近自转周期约为31天，在极地则有近40天。

其次，太阳平静区(没有黑子的区域)和极区都有微弱的磁场，太阳南北半球的磁场方向相反。

第三，太阳对流层存在子午环流，即太阳表面的物质从赤道流向极地，而太阳对流层底部的物质从极地流向赤道，形成闭合环流。这种现象被称为太阳子午线环流。

然而，在谭看来，发电机模型仍然是一个半定量的经验模型。到目前为止，人们还不能从理论上解释物理因素到底是什么。

会对卫星、电网系统等造成严重影响

谭宝林指出，太阳活动周期不仅是太阳上黑子出现多少的周期性体现，更是太阳向周围空间释放能量、太阳爆发活动，以及太阳风暴发生的周期性展现。

“研究太阳活动周期将对许多学科的发展产生重要影响。”谭宝林表示，对太阳活动周的起源研究，将帮助我们更好地理解太阳以及宇宙中与太阳类似的众多恒星的形成与演化过程。

此外，对太阳活动周的研究还有助于更好地预测未来空间天气活动的发展趋势，提前获悉未来太阳爆发活动及太阳风暴可能发生的情况。

“对太阳活动周的研究还可能直接推动等离子体物理、流体物理和天体物理学等学科的发展，甚至对工程技术方面也会产生重要影响。”谭宝林说。

太阳活动周对于普通人的生活影响大吗？颜毅华表示，一般情况下并不算大，甚至没有直接的影响。但是，太阳活动会对卫星系统、电网系统等产生非常显著的影响，甚至会对其造成严重破坏，从而间接影响人们的生活。比如导致手机信号变弱或丢失、无法使用导航等。

例如，1859年的卡林顿太阳耀斑事件严重破坏了当时的全球电报网络，让人类第一次认识到太阳活动对地球空间环境的影响；1989年3月，狂暴的日冕物质抛射引发了极强的地磁爆，导致加拿大魁北克省电网在90秒内全面瘫痪，造成直接经济损失约5亿美元；2003年10月的重大太阳活动事件，造成全球范围短波通信中断，超视距雷达、民航通信中断，瑞典电网中断1小时，全球定位系统导航出现故障，多颗科学卫星数据丢失等。

此外，中国科学院科学传播研究中心副主任袁岚峰表示，太阳黑子的长期变化还和地球气候密切相关。例如，1300年至1850年是一个小冰河时期，当时太阳的活动就显著弱于后续年代的平均水平。