太陽黑子之謎

太陽的表麵並不是無瑕的，有時也會出現或多或少的黑斑，這就是太陽黑子。

我國對黑子的觀測可以說是源遠流長。各國學者公認的世界上最早的太陽黑子記錄，詳細地記載在我國古書《漢書·五行誌》裏：“漢成帝河平元年三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。”據專家考證，乙未應為己未。這指的是公元前28年5月10日的一次大黑子。這條記錄不僅說明了黑子出現的日期，還描述了黑子的大小、形狀和位置。

其實，我國還有更早的黑子記錄，公元前140年前後成書的《淮南子·精神訓》中有“日中有蹲鳥”的記載，蹲鳥就是黑子，再往前推，甚至可以上溯到3000多年前的殷代，殷墟出土的甲骨文中就不乏太陽黑子的記錄。近些年來，我國天文工作者從公元前781年到公元1918年約2700年的曆史典籍中，查出數百條有關黑子的記載，它們是極其寶貴的科學遺產。現代太**理學創始人、美國著名天文學家海耳曾高度讚揚說：“中國古人測天的精細和勤勉，十分驚人。遠在歐洲人之前約2200年，就有黑子觀測，曆史記載絡繹不絕，而且記錄得比較詳細和確實，毫無疑問是可以通過考證而得到確認的。”

歐洲人觀測太陽黑子開始於意大利天文學家伽利略。1610年，伽利略用望遠鏡在霧靄中觀察太陽，並看到了太陽黑子。與他同時使用望遠鏡觀測太陽黑子的還有德國的賽納爾、荷蘭的法布裏修斯和英國的哈裏奧特。

從肉眼直接觀測到使用望遠鏡觀測，標誌著人類對太陽黑子現象的研究逐漸走向科學階段。伽利略之後，人們對太陽黑子的研究如雨後春筍，蓬勃開展，不但揭示出太陽活動奇妙的規律，而且就太陽活動對人類環境和人類自身的影響，有了越來越多的了解。特別是進入20世紀以來，天文學家對黑子磁場、黑子光譜、黑子物理狀態做了大量研究，建立了完整的黑子形成和演化理論。盡管如此，像黑子為什麽是黑的?黑子是怎樣形成的?這樣一些最基本的問題還沒有最終搞清楚。近年來的觀測更是發現了一係列嶄新的現象，它們向太**理學家提出反詰使傳統觀念受到猛烈衝擊，太陽黑子這個古老問題因此更加引人入勝。

黑子其實並不黑

黑子看上去的確是黑的，但它實際上並不黑，隻是在耀眼的光球襯托下才顯得暗淡無光。其實一個大黑子比滿月發出的光要多得多，即使太陽整個圓麵都布滿了黑子，太陽依舊光彩照人，就像它離地平線不高時的情景一樣。一般來說，黑子的中心最黑，稱為本影，周圍淡的部分稱為半影，本影的半徑約為半影的2／5。一個典型黑子本影的平均溫度約410K(683．15℃)，比周圍的光球低1700K(1973．15℃)左右。為什麽黑子的溫度較低呢?這個問題困擾了人們很長時間。

20世紀初，海耳首先對黑子磁場進行測量，發現黑子的磁場很強，並且磁場強度與黑子表麵積有關。小黑子的磁場強度約1000高斯，而大黑子可達3000~4000高斯，甚至更高。有人把黑子叫做日麵上的“磁性島嶼”，由此人們很容易想到，黑子的黑與強磁場之間可能有某種聯係。

1941年，比爾曼提出，黑子的變暗是由於強磁場抑製光球深處熱量通過對流向上傳輸的作用造成的。這個解釋很直觀。後來柯林對此模型又進行了一些修正，認為黑子中還有一些對流，但比背景中的熱量傳遞小得多。觀測也證實了黑子中有較弱的對流。

這個理論得到了天文界的普遍承認，然而隨著觀測和研究的深入，比爾曼理論的破綻開始暴露出來了。按照他的說法，在黑子下麵，對流被磁場抑製了，那麽對流所輸送的能量到哪裏去了?

為此，美國天文學家帕克提出了一個嶄新的論點。在磁場引起低溫這一點上他和比爾曼是一致的。但他認為，磁場並沒有抑製，而是大大促進了能量的傳輸。黑子的強磁場把絕大部分熱量變換為磁流體波，磁流體波沿磁場傳播，並帶走了一部分能量，從而使黑子內部溫度變低，同時也解釋了沒有多餘能量積累的問題。新理論比舊理論更加合理，但它還不是終極理論。

黑子方隊

太陽黑子大多喜歡成群結隊。複雜的黑子群由幾十個黑子組成，而大多數黑子群是由兩個主要黑子組成，沿著太陽自轉方向，位於西邊的黑子叫做“前導黑子”，位於東邊的黑子叫做“後隨黑子”，大黑子周圍還有許多小黑子。極性相同的一群黑子稱為單級群，極性相反的一群黑子稱為雙極群。黑子群中極性分布不規則的稱為複雜群。

翻開天文書的“太陽”那一章，可以看到如下對太陽黑子周期的最簡單描述：太陽麵上的黑子有時多，有時少，呈現出有規律的周期性變化，平均周期約11．1年。作為最基本的情況，這當然是沒有問題的。

可是，你可知道，黑子數從一次極大到下一次極大的時間間隔，最短的隻有7．3年(1829~1837年)，而最長的曾達到17．1年(1788~1805年)，跟平均周期各相差約50％，偏差可以說是相當大的。其實，關於黑子周期的問題，還遠不止如此。

黑子是太陽活動的基本標誌之一，黑子活動的強弱，或者說黑子的多少，是以一般所說的“相對數”來表示的。通過長期觀測，19世紀40年代，德國藥劑師施瓦布發現太陽黑子數目表現出一種周期性的變化，變化周期大約是10～11年。後來斯玻勒又進一步發現黑子在日麵上隨時間變化的緯度分布具有一定的規律性。一般說來，一個周期的黑子剛出現時，都在日麵緯度30°附近。在黑子較多的時候，則在緯度15°左右。周期結束時，黑子多半在低緯度地區出現和消失。上一個周期的黑子還沒最後消失，下一個周期的黑子又在緯度30°附近出現了。另外，幾乎所有的黑子都出現在緯度8°~45°之間，極少有超過這個範圍的。如果以黑子群的日麵緯度平均值做縱坐標，時間為橫坐標，繪出的黑子群日麵緯度分布圖，就像一群排列整齊的蝴蝶。

另外，人們還發現在黑子存在期間，它的磁場強度是隨時間變化的。黑子剛出現時，磁場強度迅速上升到極大值，然後穩定一段時間，隨著黑子的瓦解和消失，磁場強度呈線性衰減。黑子群中成對的那兩個大黑子具有相反的極性。一個活動周期中，如果太陽北半球上黑子對中的前導黑子的極性是“北”，那麽後隨黑子就是“南”，太陽南半球正與此相反。而到了下一個活動周期，兩半球黑子對的極性將顛倒過來，在下一個活動周期中再顛倒回去。根據黑子磁場的極性變化，海耳等人在1919年指出，太陽黑子和太陽活動的真正周期是22年。如何解釋上麵這些現象和規律，天文學家建立了不少黑子模型，1961年，巴布科克提出的模型受到人們的普遍重視。

巴布科克認為，凍結在太陽等離子中的磁場，隻存在於太陽表麵下較淺的層次中，磁力線被太陽自轉所帶動。由於較差自轉(太陽不同緯度處的自轉周期不同。赤道轉得最快，越往兩極越慢)，使原來位於子午麵上的磁力線纏繞起來。太陽內部和表麵自轉速率不同也會使磁場強度增大，光球下麵的對流運動會使加強了的磁通量管扭結成繩子的形狀，從而增大了磁力線密度。小尺度湍流使磁繩中出現扭結，致使小區域中的場強變得更大。當場強增大時，磁浮力也增大，磁場上浮湧出表麵，形成雙極黑子。黑子首先出現於緯度±30°附近的區域，是因為該處磁場的切變率最大。由於太陽內部自轉得比表麵快些，低緯處的場強增大而高緯處的場強下降，所以發生黑子的區域就移向赤道。這個模型既可說明蝴蝶圖、黑子極性的分布、前導黑子的緯度比後隨黑子的稍低等事實，又能解釋22年周期中極性的反轉現象。

一些天文學家認為，這個模型對於解釋太陽磁場的所有較新的觀測過於簡單了，需要加以改進和發展。但另一些人則認為這個模型是不恰當的，太陽的磁場係統並不局限於表麵的薄層中，而穿透得比太陽的對流層還深些。到底實際情形怎樣，需要由不斷的觀測來判斷。

日震學研究

為了提煉和修改太陽黑子的形成和演化的理論模式，太**理學家必須更多地了解太陽內部的結構和行為。太陽內部究竟是什麽樣子，我們既看不見，也摸不著。後來人們發現通過對太陽大氣振動的研究，可以推測出太陽內部的情況。這就好像研究地震波能夠推測出地層深處的秘密一樣。

20世紀60年代，美國天文學家萊頓等人，利用物理學上的多普勒效應，發現太陽大氣的上下振動很有規律，其振動的周期是296±3秒，這就是著名的太陽“5分鍾振**”現象。進一步的觀測還表明，氣體物質上下起伏的總幅度達數十千米，而在水平方向上，大致在0．1～50萬千米範圍內的氣體物質都聯成一片，同起同落。並且在任何時刻，日麵上都有2／3左右的區域在做這種振**。

太陽5分鍾振**的發現引起了全世界天文學家的矚目。相繼的大量觀測結果表明，太陽像一顆巨大的心髒，正在一縮一張地運動。70年代中，人們開始尋找低頻率的太陽振動。1976年，蘇聯天文學家發現了太陽的160分鍾振**。許多科學家認為，太陽內部產生振**的因素可能有三種，即氣體壓力、重力和磁力。相應的波動則為駐聲波、重力波和阿爾文波。有趣的是，這三種波動有時可以兩兩結合起來，成為磁聲波、聲重力波和磁重力波。甚至可以三者統統混合起來，形成所謂的“磁聲重力波”。所有這些波動疊合在一起，就會產生太陽表麵振**的一幅幅錯綜複雜的圖像。

太陽振**是近年來太**理學中最為重大的發現之一，為天文學家開拓出一條通往太陽迷宮深處的新途徑。盡管日震學尚處於不成熟階段，但這一新的學科已經導致了一些重要的發現，成為當代太**理學的前沿之一。

前不久，披露太陽內部奧秘的振波圖樣顯示，盡管太陽外層的自轉在赤道比在極區快，然而太陽內部的自轉卻是均勻的，這樣就產生了一種剪切力，仿佛剪刀的兩個刀刃相互移過一樣。有人猜測這種效應會影響磁場，驅動太陽周期。但一些人對此持不同的意見。這一問題的正確答案還要靠日震學的進一步發展。

天文學家期待著日震學能夠裁決這樣一個新思想：黑子和耀斑可能是由對流所驅動的熱物質的圓柱形的流動所引起的。相鄰的圓柱，以相反的方向在40萬千米深的太陽對流區內旋轉，逐漸向赤道移動。一個設想是，像老式洗衣機中的旋軸一樣，圓柱擠壓磁場，在這一過程中有效地產生黑子。

為連續進行日震學觀測，美國自然科學基金會計劃撥款給全球振**網研究所，把環繞世界的6個日震站聯係起來。這樣一來，就可以整日不間斷地進行日震觀測了，全麵的工作已從1993年開始。另外，美國宇航局和歐洲空間局在20世紀90年代太陽活動峰年期間發射的人造衛星，也進行了太陽振**的測量和研究。