太陽活動周的發現史

         太陽如今正處于第24活動周。近日，美國宇航局表示自2011年末出現一系列耀斑和(hé)噴發物之後，近期太陽或将進入這一活動周的活躍期。那(nà)麽，太陽活動周是如何确定的？它最初是怎樣被發現的呢？

太陽黑(hēi)子與太陽活動周

太陽活動周期，又稱為(wèi)太陽磁活動周期，是太陽黑(hēi)子數(shù)及其它現象的準周期變化，大(dà)約每11年為(wèi)一個(gè)周期。從2008年初開(kāi)始，太陽進入了第24活動周。

太陽黑(hēi)子是太陽活動最顯著的特征，也是太陽磁場(chǎng)存在的直接證據。太陽黑(hēi)子大(dà)多(duō)成群出現，每個(gè)黑(hēi)子群由幾個(gè)到幾十個(gè)黑(hēi)子組成，最多(duō)可(kě)達100多(duō)個(gè)。黑(hēi)子大(dà)小(xiǎo)不一，小(xiǎo)的黑(hēi)子直徑約有(yǒu)1000千米，大(dà)的黑(hēi)子約有(yǒu)20000千米，特大(dà)的太陽黑(hēi)子直徑甚至可(kě)達245000千米，相當于地球直徑的19倍！

黑(hēi)子的形狀像一個(gè)暗的淺碟，中間(jiān)凹陷。發展完全的黑(hēi)子分本影(yǐng)和(hé)半影(yǐng)兩部分，黑(hēi)子中間(jiān)的暗核部分叫做(zuò)本影(yǐng)，本影(yǐng)周圍較淺的邊框叫做(zuò)半影(yǐng)。本影(yǐng)是黑(hēi)子的核心，黑(hēi)子的亮度約是光球亮度的三分之二。

1874年，英國皇家(jiā)格林尼治天文台（RGO）利用南非好望角、印度南部城市Kodailkanal和(hé)毛裏求斯的觀測站(zhàn)組成一個(gè)太陽黑(hēi)子的觀測網絡，留下了迄今最長、最完整的黑(hēi)子記錄，其中包括每個(gè)黑(hēi)子的面積、經度和(hé)緯度等等。

在歐洲，1610年之後一些(xiē)天文學先驅們，如著名的伽利略，已經開(kāi)始用望遠鏡觀測太陽并記錄黑(hēi)子。從這些(xiē)記錄中不僅可(kě)以得(de)到黑(hēi)子的數(shù)目，還(hái)可(kě)以得(de)到黑(hēi)子的面積，甚至可(kě)以區(qū)别黑(hēi)子的本影(yǐng)和(hé)半影(yǐng)。

太陽活動周的發現

1843年，德國業餘天文學家(jiā)、藥劑師(shī)施瓦貝（S.H.Schwabe）最先發現了太陽活動周期。起初，施瓦貝隻是希望在太陽附近發現一顆新的行(xíng)星，在它從太陽圓面前方經過時(shí)候“逮住”它。1826年，他開(kāi)始用一架小(xiǎo)望遠鏡注視(shì)太陽，但(dàn)除了注意到太陽黑(hēi)子外，其餘什麽都看不見。之後，施瓦貝開(kāi)始放棄尋找行(xíng)星而專注描繪黑(hēi)子，并一直堅持了17年。在這些(xiē)年的詳細觀測中，施瓦貝發現，每經過大(dà)約10年，就會(huì)出現黑(hēi)子數(shù)目增加的現象，經過了極大(dà)期，太陽黑(hēi)子數(shù)又進入極小(xiǎo)期，太陽表面幾乎沒有(yǒu)黑(hēi)子。這樣，每約10年就是一個(gè)太陽活動周。1 843年，施瓦貝把一篇題為(wèi)《1843年間(jiān)的太陽觀測》的論文，投到德國《天文通(tōng)報》，起初并未被發表，1851年，施瓦貝的發現才終于被公之于世。

十九世紀中期，時(shí)任瑞士蘇黎世天文台台長的沃爾夫（J.R.Wolf）讀了施瓦貝的論文後，開(kāi)始用望遠鏡觀測太陽黑(hēi)子。除進行(xíng)觀測外，還(hái)搜集整理(lǐ)了此前太陽黑(hēi)子的觀測資料，其中包括伽利略及其同時(shí)代觀測者留下的。經過整理(lǐ)，可(kě)供研究使用的每日太陽黑(hēi)子數(shù)記錄可(kě)推前至1749年，年平均值資料可(kě)推前至1610年。

沃爾夫在搜集整理(lǐ)太陽黑(hēi)子數(shù)觀測資料的過程中，為(wèi)使不同觀測台站(zhàn)以及不同人(rén)的太陽黑(hēi)子觀測資料具有(yǒu)可(kě)比性，于1848年提出了“太陽黑(hēi)子相對數(shù)”的概念。具體(tǐ)表示為(wèi)R=K（10g+f），式中R為(wèi)黑(hēi)子相對數(shù)，g為(wèi)日面上(shàng)觀測到的黑(hēi)子群數(shù)目，f為(wèi)觀測到的單個(gè)黑(hēi)子的總數(shù)，K為(wèi)轉換因子。K值可(kě)随觀測者所在地點、所用儀器(qì)、觀測方法、觀測技(jì)術(shù)和(hé)天氣能見度而異，目前國際上(shàng)一般将此值設為(wèi)1。“太陽黑(hēi)子相對數(shù)”可(kě)以通(tōng)過觀測到的單個(gè)黑(hēi)子數(shù)、黑(hēi)子群數(shù)，以及表征觀測時(shí)的天氣和(hé)所用的儀器(qì)等因素的系數(shù)來(lái)計(jì)算(suàn)。當然，這個(gè)參量隻能表示太陽對着地球這一半黑(hēi)子的活動情況。

經過幾年仔細觀測和(hé)精心的資料整理(lǐ)，沃爾夫發現太陽黑(hēi)子數(shù)的平均變化周期為(wèi)11.1年。觀測到的最短(duǎn)黑(hēi)子周期為(wèi)9年，最長黑(hēi)子周期為(wèi)14年。到1 852年，他還(hái)發現地磁活動和(hé)極光與太陽活動有(yǒu)關。沃爾夫提出将太陽黑(hēi)子數(shù)從一個(gè)極小(xiǎo)到另一個(gè)極小(xiǎo)之間(jiān)的時(shí)間(jiān)定為(wèi)一個(gè)周期，并将1755年至1 766年的周期定為(wèi)第一個(gè)太陽活動周。

長期積累的黑(hēi)子觀測資料顯示，太陽黑(hēi)子活動的強弱存在周期變化，周期短(duǎn)則9年，長則1 3.6年，平均為(wèi)1 1年。在開(kāi)始的幾年時(shí)間(jiān)裏，黑(hēi)子不斷産生(shēng)，活動越來(lái)越加劇(jù)，黑(hēi)子數(shù)達到極大(dà)的年份稱為(wèi)太陽活動峰年；在随後的幾年中，黑(hēi)子活動逐漸減弱，黑(hēi)子變少(shǎo)，黑(hēi)子極少(shǎo)的年份就稱為(wèi)太陽活動谷年。國際天文學界規定，以1 755年作(zuò)為(wèi)太陽黑(hēi)子周期的開(kāi)元年，從1755年3月到1 766年為(wèi)第一個(gè)太陽周期。一個(gè)太陽活動周期開(kāi)始和(hé)結束的标準是：每月太陽黑(hēi)子相對數(shù)的平滑值達到極小(xiǎo)值。從1 766年以後，按11年周期排列序号。

從2008年開(kāi)始，太陽進入第24活動周，專家(jiā)預測，今年或明(míng)年将是第24活動周的太陽活動峰年。在峰年這段時(shí)問，除了黑(hēi)子群在日面上(shàng)的數(shù)量增多(duō)，太陽黑(hēi)子相對數(shù)R增加外，其緯度分布也會(huì)從活動周開(kāi)始時(shí)的位置向低(dī)緯度遷移。此外，太陽的各種活動也會(huì)在太陽峰年期随着黑(hēi)子數(shù)的增加而發生(shēng)相應的變化，并經常有(yǒu)太陽耀斑爆發等現象出現，這會(huì)對地球産生(shēng)較大(dà)的影(yǐng)響。

在19世紀中期的時(shí)候，英國天文愛(ài)好者卡林頓（R.C.Carrington）緻力于太陽黑(hēi)子的觀測。卡林頓追蹤太陽黑(hēi)子在整個(gè)為(wèi)期11年的活動周期內(nèi)的變化，發現不僅黑(hēi)子的數(shù)量産生(shēng)變化，而且黑(hēi)子分布的位置也會(huì)向太陽的赤道(dào)移動。

同一時(shí)間(jiān)，與卡林頓一樣進行(xíng)太陽周期規律研究的還(hái)有(yǒu)德國天文學家(jiā)斯波勒（Gustav Spoerer）。經過長期觀測，斯波勒發現在新的太陽活動周開(kāi)始時(shí)，黑(hēi)子群出現的位置分别在太陽南北半球緯度30°至45°附近，随着太陽活動周的進展，黑(hēi)子群出現的緯度位置逐漸向赤道(dào)靠近。在太陽活動極大(dà)年附近，黑(hēi)子群一般出現在15°附近。在太陽活動周的末尾，黑(hēi)子群一般出現在8°附近。在每個(gè)太陽活動周即将結束時(shí)，新周期的黑(hēi)子群已經開(kāi)始在高(gāo)緯度出現，舊(jiù)太陽活動周的黑(hēi)子群仍在低(dī)緯度出現。新周期和(hé)舊(jiù)周期黑(hēi)子群同時(shí)出現的局面大(dà)約可(kě)持續一年左右的時(shí)間(jiān)。太陽黑(hēi)子出現緯度的位置随太陽活動周發展而變化的規律，稱為(wèi)斯波勒定律。

太陽黑(hēi)子有(yǒu)很(hěn)強的磁場(chǎng)，一般來(lái)說，一個(gè)太陽黑(hēi)子群中有(yǒu)兩個(gè)主要黑(hēi)子，它們的磁極性相反。在同一個(gè)半球，各個(gè)黑(hēi)子群的南北極性分布狀況是相同的。例如第22太陽周，北半球黑(hēi)子群的先導黑(hēi)子一般為(wèi)南極，後随黑(hēi)子為(wèi)北極，即成對的黑(hēi)子沿東西排列，分别為(wèi)南極與北極，南半球相反。太陽南北兩個(gè)半球，偶極黑(hēi)子的極性秩序相反，在下一個(gè)黑(hēi)子周，這種關系會(huì)颠倒。因此，一個(gè)完整的太陽磁活動周期是22年，稱為(wèi)磁活動周。

由于研究活動周用黑(hēi)子數(shù)的月平均平滑值，并且黑(hēi)子數(shù)的未來(lái)變化也很(hěn)複雜而難以推測，前一活動周結束和(hé)後一活動周開(kāi)始的劃界不是很(hěn)清楚的，常有(yǒu)幾個(gè)月的重疊，在反常情況下甚至有(yǒu)1年～2年的重疊。第23到第24活動周的轉變就是這樣的反常情況，在2008年1月看到在日面北半球中緯新出現的黑(hēi)子群的磁極性變了，因而認為(wèi)第24活動周開(kāi)始了。然而，從黑(hēi)子數(shù)來(lái)說，直到2009年8月才達到了極小(xiǎo)。

太陽活動的超長周期

太陽活動除了明(míng)顯存在的約11年周期外，是否還(hái)存在其它更長的周期，一直是許多(duō)學者探討(tǎo)的課題。早在1862年，沃爾夫根據當時(shí)可(kě)供利用的黑(hēi)子記錄，就曾指出太陽活動可(kě)能存在由7個(gè)太陽活動周組成的78年周期。從黑(hēi)子11年周期變化曲線上(shàng)可(kě)以直觀看出，一般在連續3、4個(gè)11年高(gāo)峰後便接連3、4個(gè)11年低(dī)峰，總共持續的年數(shù)近于一個(gè)世紀，這一時(shí)間(jiān)段也被稱為(wèi)世紀周期。

20世紀中葉，格萊斯堡（W.Gleissberg）取黑(hēi)子1 1年周期的極大(dà)值的百年平滑值進行(xíng)分析，顯示平滑值的變化曲線有(yǒu)着明(míng)顯的周期性，極大(dà)值位于第3周和(hé)第9周，極小(xiǎo)值位于第6周和(hé)第1 4周，所以有(yǒu)人(rén)亦将此周期稱為(wèi)格萊斯堡周期。

不過由于研究者所取方法不同，世紀周期的起止年份也不同。根據紹夫（J.Schove）收集、整理(lǐ)的古代黑(hēi)子資料分析，世紀周期最短(duǎn)的隻有(yǒu)40年，最長的可(kě)達1 20年。而且世紀周期越強，它的上(shàng)升期也越長。太陽活動世紀周期反映了太陽活動平均強度的變化規律。

還(hái)有(yǒu)許多(duō)作(zuò)者根據各種時(shí)段的黑(hēi)子相對數(shù)年均值曲線，用數(shù)學分析方法進行(xíng)處理(lǐ)，得(de)到其它一些(xiē)周期，但(dàn)都不是很(hěn)可(kě)靠。即使是80年周期，因為(wèi)僅僅隻有(yǒu)兩個(gè)多(duō)周期的結果，也不能完全肯定。另外兩個(gè)問題是，太陽活動除了周期性變化外，是否還(hái)有(yǒu)其它不規則變化，以及太陽活動的1 1年周期這一重要特征是否長期以來(lái)總是如此，或僅僅是太陽在某一階段的特征，也值得(de)探討(tǎo)。但(dàn)由于近代用望遠鏡觀測太陽黑(hēi)子的可(kě)靠記錄隻有(yǒu)300多(duō)年，因此要探討(tǎo)太陽活動的超長期變化，隻能借助于一些(xiē)其它的途徑。

極光是由太陽耀斑等發射的高(gāo)能粒子流轟擊地球大(dà)氣後，引起大(dà)氣原子和(hé)分子激發産生(shēng)的，因此地球上(shàng)每年極光發生(shēng)頻數(shù)與黑(hēi)子相對數(shù)年均值存在強相關。紹夫曾于1962年根據歐洲以及中國、日本等東方國家(jiā)曆史的極光記錄，整理(lǐ)發表了自公元前500年至1959年間(jiān)每十年發生(shēng)的極光頻數(shù)，分析結果顯示，2000多(duō)年來(lái)的太陽活動變化中，除了1 1年周期外，似乎還(hái)存在着長度約為(wèi)200年的雙世紀周期，即偶數(shù)世紀的活動強于奇數(shù)世紀。又因為(wèi)這個(gè)周期和(hé)八大(dà)行(xíng)星的會(huì)合周期接近，所以有(yǒu)人(rén)又稱之為(wèi)太陽活動的行(xíng)星周期。

另外一種可(kě)以用于探討(tǎo)太陽活動超長期變化的資料，是古樹(shù)年輪中的同位素碳14的含量。資料分析顯示，太陽活動水(shuǐ)平并不是平穩和(hé)均勻變化的，而是經曆過一系列的極大(dà)期和(hé)極小(xiǎo)期，然而這些(xiē)極大(dà)期和(hé)極小(xiǎo)期的分布還(hái)看不出明(míng)顯的規律性。

目前太陽活動正處在大(dà)約從1 800年開(kāi)始的“現代極大(dà)期”，而離此最近的是兩個(gè)極小(xiǎo)期和(hé)一個(gè)極大(dà)期，它們是1 460年～1 550年問的“斯波勒極小(xiǎo)期”和(hé)1 645年～1 71 5年間(jiān)的“蒙德極小(xiǎo)期”，以及1110年～1 260年問的“中世紀極大(dà)期”。