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太阳黑子“捉迷藏”其实很平常
发布时间:2018-10-19 07:10:21    来源:中国天气网    编辑:chenjing    作者:李会超

最近有消息称,“太阳已经连续15天没有出现黑子,受其影响,地球即将进入一个寒冷期”。事实果真如此严重吗?这要从“太阳黑子”和太阳活动周期说起。


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2014年10月18日,SDO卫星观测到的超大黑子群。
(来源:NASA)

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2018年9月19日SDO卫星的观测数据显示,太阳黑子目前已经在太阳表面上完全消失。
(来源:NASA)

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创作于一六七七年的描述小冰河期场景的画作。(资料图片)

事实上,自2018年初至今,已经累计150多天在太阳上没有观测到任何太阳黑子。而太阳黑子的减少或消失并不意味着地球寒冷期的来临——太阳只是按照它11年的活动周期,进入了例行的“休息阶段”。

太阳黑子并不“黑”

如果使用加装了滤光片的望远镜观察太阳,大家会发现,太阳表面有时会出现一些黑色的斑点——这就是太阳黑子,它们倾向于成群出现,每个黑子群中黑子的数量从一两个到几十个不等。一些黑子数量多、面积比较大的黑子群是显著的天文现象,在日落或有薄雾时通过肉眼就可以观察到(但请不要如此尝试,以免对眼睛造成不可逆的损伤)。

太阳黑子十分容易观察。因此,在天文望远镜出现前就已经有了对黑子的记录,其中最早的来自于我国。公元前43年,《汉书》五行志中记载,当年四月之中,“日色青白,亡影,正中是有景亡光。”公元前28年,《汉书》又记载“日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。

其实,太阳黑子并不“黑”。由于黑子所在区域温度低于周边(黑子中心的温度约4000K至4500K,热力学温度),因而相对于温度在6000K左右的明亮太阳光球,它显示出了较黑的颜色。实际上,黑子本身也向外发光。如果将黑子单独移动到另一片天空之中,其发出的光亮会比正月十五的月亮还要明亮。

那么,黑子为何会成为太阳上的温度“洼地”呢?原来,黑子是太阳上强磁场的聚集区,黑子所在位置的太阳磁场强度可达0.1T至0.4T(特斯拉),约为地磁场强度的数千倍。由于组成太阳的物质并非我们日常生活中所能接触到的固、液、气三态,而是一种被称为等离子体的状态,它由带负电荷的电子和带正电荷的离子构成,因而,磁场和等离子体间存在着冻结效应,即等离子体不能横越磁力线流动。当磁场较强时,磁力线就像一根根栅栏,阻碍了太阳物质的对流运动,导致太阳内部释放的能量不能及时运输到黑子所在位置,黑子自然就又“冷”又“黑”了。

黑子变化规律与太阳活动

1844年,德国天文学家施瓦贝受连续积累18年的太阳黑子群数量记录启发,在太阳表面呈现的黑子数随时间起伏变化的数据中,发现了太阳黑子数量的变化规律:在为期11年的周期中,黑子数先增加,之后逐渐减少,最终回到11年周期开始时的水平。想要确凿地验证这一规律,18年的数据显然不够充分。于是,瑞士天文学家沃尔夫一头扎进了故纸堆,在浩如烟海的文献中找到了从1749年到1847年的太阳黑子数记录。在这些记录中,太阳黑子数仍然明显以约11年的周期发展变化。

时至今日,人们对太阳黑子的11年变化周期已经有了更为深入的认识。科学家们将黑子数变化的周期称为太阳活动周。每个太阳活动周开始后,在太阳南北纬30度左右出现的黑子群打破了太阳的沉寂,之后,太阳黑子的数目开始上升,并逐渐达到活动周中的最大值。随后,太阳黑子的数目会在一定时间内维持在较高水平,并小幅波动。再往后,太阳黑子的数量开始稳步下降,最终在太阳表面上完全消失。随着太阳活动周的发展,黑子出现的位置也逐渐从南北纬30度附近向赤道附近转移。如果将黑子出现的位置按照时间顺序标记到同一张图上,就会形成一种形似蝴蝶的图案。

根据历史数据,沃尔夫将1755年定为第一个太阳活动周的开始——之后,每当进入新的太阳活动周,就将太阳活动周的计数加一。值得指出的是,根据黑子变化情况确定的太阳活动周时间不是严格的11年,可能稍长或稍短。

例如,从1996年8月到2008年12月的第23太阳活动周持续了12.3年,而它之前的第22太阳活动周仅持续了9.9年。在两个太阳活动周交替的时期,就会出现太阳黑子完全消失的现象。在第23太阳活动周末期,共出现了至少817个“无黑子日”。而2008年更创造了自有连续可靠黑子数记录以来,全年无黑子天数第二多的记录——全年共有266个无黑子日,仅次于1913年311个无黑子日的记录。因此,连续若干天没有黑子也是一件稀松平常的事。自1849年起,共出现了29个连续30天以上无黑子出现的时期。其中,最长的一次出现在1913年4月8日至1913年7月8日,共计92天。而在1913年,全球平均气温正处在稳步上升的过程中,黑子的消失并没有改变这一趋势。

黑子消失意味着冰河期来临吗

为什么太阳黑子一消失,会有人“预言”冰河期要来临呢?这要从著名的“小冰河期”和太阳活动的“蒙德尔极小期”说起。

所谓“小冰河期”,是指从16世纪到19世纪全球出现寒冷天气的一段时间。由于那时的气象观测条件不尽完善,小冰河期持续的时间和范围都存在争议。有学者认为,其开始时间可以前推到1300年;也有学者认为,寒冷的气候主要集中在北半球。

而“蒙德尔极小期”,则是指1645年至1715年太阳黑子数量非常低的一段时间。这个时期是天文学家蒙德尔夫妇通过分析历史资料发现的。在这段时间内,太阳似乎休了一个长假,在本应出现的太阳活动极大期中,黑子也没有像正常情况那样成群结队出现。

由于蒙德尔极小期和小冰河期在时间上存在重合,有学者就将地球变冷的原因归结于黑子数目的变化。然而,单纯用时间上的重合来确定因果关系,难免得出谬误。例如,广东地区前不久经历了台风“山竹”的肆虐。而“山竹”登陆后的第二天,国家发改委根据国际油价变化情况调整国内成品油价格。如果单纯用时间上的联系推断因果,就会得出“台风山竹导致油价上涨”,显然是无稽之谈。

事实上,对于“小冰河期”的成因有多种说法。有人认为,是火山喷发的增强导致了小冰河期出现,因为火山喷出的火山灰能够遮挡太阳赋予地球的光和热;还有人认为,是海洋环流的异常导致了小冰河期出现。

确定两种现象间的因果关系,一定要找出它们之间是通过怎样的作用过程而联系在一起的。而太阳黑子所代表的太阳活动水平增强或减弱,对于太阳辐射能量的影响仅约为0.1%,并不足以引起地球气候发生明显的改变。

目前,对于太阳活动影响地球气候的研究仍在进行。研究者们提出了一些可能存在的作用途径。例如,当太阳黑子上的活动区爆发太阳风暴时,高能粒子会引起地球大气中氮氧化物含量的改变,从而导致臭氧层的厚度轻微减小。这种效应会在大气层中引起一系列连锁反应,最终引发天气和气候系统的一些变化。但是,这类太阳活动对地球气候的间接影响,其程度和范围都尚在探究之中,还没有“太阳黑子一减少,地球就要冷飕飕”这样简单粗暴的结论得出。事实上,第23太阳活动周的黑子数量相比前一活动周明显减少,但全球平均温度依然在徐徐上升。

太阳黑子之上,一般存在复杂的磁场结构,这是孕育太阳风暴的温床。因此,太阳黑子的多少是太阳活动强弱的标志。当黑子数较多时,太阳将会更加频繁地爆发太阳风暴,给距离地面100公里以上的空间环境造成显著影响。诸如威胁太空中的航天器安全,通过地磁场、电离层的变化将不利影响扩展到供电、通信、导航等各个领域,等等。因此,对于太阳黑子,我们更应该关心它的多少将如何影响太空中的天气——空间天气的变化。而我们人类自身的活动,可能才是目前影响地球气候变化的主因。

[作者单位:哈尔滨工业大学(深圳)。本文授权转载自“科学大院”微信号:kexuedayuan,略有删改,特此鸣谢。]

 

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