太阳黑子

太阳表面的活动现象非常复杂,也相当丰富多彩。太阳黑子是人们最早发现也是最熟悉的一种发生在太阳光球表面的活动现象。

明亮的太阳光球表面,经常出现一些小黑点,这就是太阳黑子。我国的古书中有很多关于太阳黑子的记载。汉初《淮南子·精神训》中记有“日中有蹲乌”,意思是太阳上面有一只三只脚的乌鸦,实际上指的就是黑子。《汉书·五行志》中对黑子的记载更明确了,“日出黄,有黑气,大如钱,居日中”,这是得到公认的全世界最早的黑子记录。在西方,著名的天文学家开普勒1607年时看见了黑子,但他不敢相信太阳上还会有暗黑的斑点而误认为是水星凌日了。1611年,伽利略使用望远镜才确认了太阳黑子的存在。

太阳黑子看上去是黑的,实际上并不真是黑的,它们也是炽热明亮的气体,温度平均大约4800K左右,但比光球温度6000K要低多了,相形见绌,显得暗黑了。

黑子的大小相差很悬殊,大的直径可达20万千米,比地球的直径还要大得多,小的直径只有1千千米。大黑子一般都由本影和半影组成。本影是黑子中间最黑暗的部分,温度只有4200K。半影是外面一圈不太黑的部分,温度大约5500K。较大的黑子经常是成对出现,并且周围还常常伴有一群小黑子。黑子的寿命也很不相同,最短的小黑子寿命只有两三个小时,最长的大黑子寿命大约有几十天。黑子的数目有时多,有时少。黑子大量出现的期间,还会伴随着其它一些现象出现,叫太阳活动峰年,黑子很少的期间,叫太阳活动谷年。两个峰年之间的周期平均为11年,历史上记录的最长的周期达到17.1年,最短的周期只有7.3年。

太阳黑子11年的变化周期,是100多年以前由德国的药剂师亨利·施瓦布发现的。施瓦布是一个十分勤奋的业余天文学家。19世纪初期,许多天文学家以为在水星轨道之内离太阳很近的地方还有一颗尚未发现的行星,称之为“火神星”,因为水星的运动有异常,他们怀疑是“火神星”的影响造成的。许多人都想成为这颗“火神星”的发现者,施瓦布即是其中最热心的一个。

施瓦布从1826年开始对太阳进行观测,想利用“火神星”凌日的机会来发现它。只要天气晴朗,从不间断观测。为了把“火神星”与太阳黑子区别开,他每天都要把日面上的黑子画下来。他整整坚持画了17年,到了1843年始终没有找到“火神星”的踪影。他把积累了几柜子的黑子图全部翻出来进行比较,却意外地发现了太阳黑子11年的变化周期。施瓦布马上将自己的发现写成论文寄到天文期刊编辑部,但是编辑们因他是药剂师而根本没有理睬他。施瓦布没有气馁,仍然坚持每天观测。又16年过去了,1859年,施瓦布已经是一个双鬓斑白的老人。这时,他把自己的观测成果告诉了一位天文学家之后,他的这一重大发现才得以公诸于世。

1904年,英国的天文学家蒙德尔做了一件很有意思的工作,他将多个太阳周期里出现的太阳黑子,按时间序列和在日面的纬度分布,画在坐标纸上,结果得到了一系列蝴蝶状的图形。蝴蝶图进一步说明了太阳黑子出现的规律：在每个11年周期中,黑子先在日面中纬度地区出现,然后逐渐向低纬度方向移动,直到赤道附近。

太阳黑子的本质是什么？它们是怎样形成的？它们为什么会比光球冷? 这也是困扰了天文学家很多年的难题。很多天文学家都在寻找理论解释的途经。目前,被大家比较看好的一种理论认为,太阳黑子起源于太阳内部磁场与太阳较差自转相互作用的结果。许多天体都有磁场,地球也有磁场,这一点大家都了解。那么,太阳的较差自转是怎么回事呢？太阳自转的时候,太阳赤道附近的自转速度比高纬度区域的自转速度要快一些。太阳赤道附近的自转周期是25天,南北纬30°的自转周期是26.3天,纬度45°的自转周期是26.9天,这就叫较差自转,这是早已确认的事实。由于太阳的较差自转,太阳赤道地区表面以下的磁力线就会变长。太阳自转一次磁力线就拉长一点儿,多次自转以后,磁力线就会绞在一起成为磁力线的纽结。磁力线形成纽结后,磁场强度猛增,其结果就使这些磁力线纽结从太阳的表面以下浮到了太阳的表面上。磁力线纽结的强大磁场又抑制了从下往上辐射的光和热。结果这一部分的温度就比周围低,看起来就比周围黑。太阳黑子就形成了。太阳黑子就是太阳表面的局部强磁场区。而其他形形色色的太阳活动现象,都是太阳表面活动区的强磁场与太阳大气中的电离气体相互作用的结果。

太阳黑子是太阳表面最直观的活动现象,太阳的其他活动现象,如日珥、耀斑、谱斑等,都与太阳黑子有关。太阳黑子多的时候,太阳的其他活动也剧烈频繁；太阳黑子少的时候,太阳就相对平静。可以说太阳黑子就是太阳活动的信号灯。因此,天文学家对太阳黑子非常重视,还在不断进行更深入的探索和研究。