日面上經常出現一些黑點，這些黑點有哪些秘密？

文圖/宋喬（國家空間氣象監測預警中心）

本文節選自《知識就是力量》雜誌

北宋文學家蘇軾

曾用“陰晴圓缺”來描寫月亮，

其實太陽也有陰晴圓缺。

比如，日食的時候，

明亮刺眼的太陽圓盤被月球遮住一塊，

這時如果戴上專用的日食眼鏡去看，

我們就會發現此時的太陽缺了一塊，

甚至變成了彎彎的月牙形。

2019年1月6日早晨，山東石島的太陽Hα望遠鏡拍攝的日食圖像——圖中左上角太陽因為月球的遮擋而缺了一小塊

當然，在沒有日食的時候，

太陽也不是完美無瑕的，

日面上經常會出現一些黑點，

這就是“太陽黑子”。

月亮的圓缺變化周而複始，

太陽上黑子的數目也有時多有時少。

人類花了幾千年的時間，

才逐漸揭開太陽黑子數的秘密。

太陽黑子的發現史

早在2000多年前，中國古人就有明確的太陽黑子記錄。《漢書·五行志》中記載“成帝河平元年（公元前28年）……三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央”。古代歐洲因為觀念等原因，缺乏早期的太陽黑子記錄。直到公元17世紀，隨著望遠鏡的發明，歐洲人才開始對太陽黑子的數量、位置等進行系統地觀測和記錄。

意大利天文學家伽利略日複一日地觀測太陽，手繪了太陽圓面上黑子的圖像，通過比較不同日期的圖像，伽利略發現黑子們在太陽上的位置有規律地變化著，從而正確推斷出黑子不是太陽和地球之間或者地球大氣中的某種雲朵，而是太陽表面的真實特徵。到了19世紀，德國天文學家海因裡希·施瓦貝對太陽黑子進行了長達幾十年的觀測和記錄，發現日面上黑子的數目會周期性的增加和減少。

20世紀初，隨著電磁學、原子物理等學科的發展，太陽黑子的物理本質逐漸顯露出來。美國天文學家喬治·海爾發明了一種新儀器，可以測量太陽上的磁場，他發現太陽黑子的磁場非常強，比地球磁場要強幾千倍。現在我們知道，正是黑子的強磁場抑製了熱對流，使得黑子的溫度低於周邊，於是就顯得比較黑。黑子數的周期性變化反映了太陽磁場的變化，導致了太陽表面活動的強弱變化，所以這種周期性變化被稱為“太陽活動周”。

第24太陽活動周

通過400余年的太陽黑子觀測記錄，我們得知太陽活動周的長度大致為11年（較短的活動周只有約9年，較長的活動周可以持續近14年）。在一個太陽活動周中，黑子數最多的年份被稱為“太陽活動極大年”（或者“峰年”），黑子數最少的年份被稱為“太陽活動極小年”（或者“谷年”）。

在太陽活動極大時，日面上有很多黑子，此時的黑子數常常用來代表太陽活動周的強弱，強活動周的黑子數可以接近300，弱的活動周則只有不到100。當太陽活動進入極小期，日面上常常一個黑子也沒有。從極小到極大，黑子數逐漸增加，被稱為“活動周上升相”；從極大到極小，黑子數逐漸減少，被稱為“活動周下降相”。

現在我們正處於第24太陽活動周的尾巴上（第一個太陽活動周從1755年初開始），而它明顯比它的幾個前輩要偏弱一些，最大黑子數只有第21周的一半左右。儘管第24活動周整體偏弱，但也有很大、很活躍的黑子群存在。

2014年10月下旬，正值太陽活動極大期，日面上出現了一個巨大的黑子群（如下圖所示）。這個黑子群實際尺寸比地球還要大，只有太陽系最大的行星——木星——才能和它相比較。圖上黑色的帶狀結構是太陽暗條，其長度可以比黑子群還大，往往有幾十個地球直徑那麽長。暗條爆發可能會導致日冕物質拋射等，也可能會對地球磁場和電離層等造成影響。

2014年10月23日，石島Hα望遠鏡拍攝的太陽圖像。中間偏下位置的黑色斑點是一個巨大的黑子群（AR 12192）

2017年9月初，太陽處於第24活動周下降相階段，在短短的一天裡，一個活躍的黑子群（AR 12673）在日面上迅速成長起來。它的面積雖然不是很大，但結構相當複雜，產生了大量的爆發活動，其中包括第24活動周最強耀斑和速度高達上千千米每秒的日冕物質拋射，這些爆發活動對地球造成了一系列的影響，導致了地磁暴、太陽質子事件等空間氣象事件。

2017年9月4日~13日，風雲4A衛星監測的地球同步軌道高能質子通量。由於耀斑、日冕物質拋射等太陽爆發活動造成高能質子通量顯著升高，產生了太陽質子事件。

如何預測太陽活動周？

站在第24太陽活動周的尾巴上，不少人開始預測下一個活動周—第25活動周的情況。活動周預測的方法比較多，比如有人用數學方法分析近幾十、幾百年的黑子數變化，想要從數字當中找到太陽活動周演化的規律；也有人對太陽活動的物理本質進行研究，通過對太陽極區磁場、子午流等的觀測和計算來確定下一個活動周的強弱。

但是，不同方法預測的結果常常是不同的，與最終的實測結果往往也有差別，因此要想更加精確、可靠地預測太陽活動周，還需要更好的觀測數據和更深入的科學研究。