谁是太阳活动的“幕后推手”

刘园园

黑子、耀斑、日冕物质抛射……太阳以各种不同的方式展现着自身强大的能量，你可知道——

说起地球磁场，我们立即会想到一幅典型画面：一根根规则的磁力线连着南极和北极，像个圆形的笼子把地球罩在里面。

但是，太阳磁场可就大不同了。

前不久，中国科学技术大学教授刘睿等人在《自然·通讯》杂志上发表论文，揭示了“太阳磁绳”的结构和形成过程。

太阳磁绳听起来有点陌生，其实它是由一组螺旋形的磁力线组成。如果你看一张太阳磁力线的示意图，会发现这些磁力线乱七八糟，极不规则。而这正与太阳磁场的特点有关。

1 磁场：太阳

活动的源动力

“磁场是引起太阳活动的一个根本原因，可以说，太阳上所有的活动都是磁活动。”深圳市天文台郑建川博士介绍。

太阳物质是等离子体，整个太阳就是一个等离子体球。郑建川说，这些等离子体会和太阳内部产生的磁场相互作用，呈现不同的运动形式。磁场越强，运动越剧烈。

所以，太阳磁场是黑子、耀斑、日冕物质抛射等各种太阳爆发活动的幕后推手。用中科院國家天文台张枚研究员的话说，科学家一般认为太阳风暴的驱动能量都来源于太阳磁场。

“黑子就是太阳磁场的一种体现形式。”郑建川介绍，科研人员观测到有太阳黑子的地方，往往磁场强大，能够达到千高斯量级。而地球磁场不过几高斯而已，也就是说，太阳磁场强度是地球磁场的上千倍。

科研人员可以在太阳的光球层观测黑子，而耀斑和日冕物质抛射则出现在日冕层。当太阳的能量聚集到一定程度，就会出现局部突然增亮，即耀斑。然后高能粒子会从日冕层抛射出来，也就是出现日冕物质抛射。

“耀斑和日冕物质抛射等，主要是太阳上的磁能转化为热能和高能粒子的动能。”郑建川说。

太阳磁场活动与人类的生产生活息息相关。郑建川举例说，太阳磁场活动引发的耀斑、日冕物质抛射等太阳剧烈活动，会向宇宙空间抛射大量高能粒子。人类宇航员如果在此期间从太空飞船上出舱工作，会出现生命危险。

而且这些高能粒子还会对地球上的电力、通讯造成巨大干扰。1989年的太阳耀斑爆发事件，就曾导致加拿大大范围的电网瘫痪。

2 磁绳：研究太阳磁场的重要线索

作为太阳磁场的重要体现形式，黑子往往在太阳的南北半球成对出现。其中一个黑子的磁力线从日面指向太阳之外，这是磁场的正极，另外一个黑子的磁力线从日面指向日心，代表磁场的负极。

一个完整的太阳黑子包含本影和半影。本影就是黑子最黑和最中心的地方。本影之外，不那么黑，并有一些纤维的结构叫做半影。

“本影区域，它的磁力线方向也就是磁场的方向基本是垂直于日面的。”郑建川介绍，在半影区域，越是靠近黑子边缘，磁力线就越倾斜。到最边缘的地方，几乎与日面平行。

太阳上到处都有磁场，只要存在黑子活动区，就会看到磁力线的进进出出，如此一来，就会看到太阳上的磁力线杂乱无章地分布于整个日面上。

太阳中的等离子体剧烈运动，磁场也十分活跃。因此这些磁力线并不会乖乖静止在太阳表面。而是会像绳子一样一束一束地扭缠在一起，这就是所谓的“太阳磁绳”。

郑建川介绍，太阳磁绳扭缠在一起，能量聚集到一个临界点后，就会把磁场的能量转化为热能或动能，出现太阳爆发活动比如耀斑或日冕物质抛射。

而磁绳扭缠方式的不同，或者运动方式的不同，太阳爆发活动的级别或形式也会有所不同。因此，太阳磁绳就会成为研究太阳磁场的重要线索。

另外，太阳磁绳或许还可以用来解释太阳上的磁重联现象。所谓磁重联，就是太阳表面的磁力线会出现断开，之后又重新联上的现象。

3 磁极：每11年反转一次

通过研究黑子，科研人员获悉了太阳磁场的很多特征。

郑建川介绍，黑子并不是均匀分布在太阳表面，它们在靠近赤道的区域比较密集，越往高纬度越少，整体出现在太阳的南纬60°到北纬60°之间。

而且，太阳上的磁极每隔11年就会出现一次反转。“这11年内，太阳活动也会出现变化，也就是有太阳活动峰年和谷年。峰年太阳活动最频繁，谷年则太阳活动最少。”郑建川说。

如果以时间为横轴，以太阳的南北纬度为纵轴，画出太阳上黑子的分布，就会发现每个11年内，黑子都是刚开始比较少，慢慢增多，然后再减少。另外，无论是太阳的南半球，还是北半球，黑子活动区域都会逐渐从高纬度向赤道靠近。这样太阳上的黑子活动区形成了蝴蝶图案，每隔11年就会出现一只“蝴蝶”。

“这两年太阳活动比较少，正处于太阳活动的谷年，整个日面的黑子数量都很少。”郑建川说，而2013年和2014年是太阳活动的峰年，太阳活动相对比较剧烈。

至于为什么太阳磁场每隔11年就会反转一次，又要谈到解释太阳磁场的“发电机理论”。

郑建川介绍，太阳“发电机理论”认为，太阳磁场是在对流区底部产生，由于太阳的较差自转和磁浮力的作用，磁场浮现在太阳表面形成黑子区域。随着活动区的演化，在子午环流的作用下，后随黑子磁场逐渐被输运到极区之后又沉入太阳内部，进入下一个活动周，实现磁极性反转。

4 磁场来源：仍是未解之谜

郑建川告诉笔者，目前对于太阳磁场的研究，主要有理论和观测两种方式，对太阳磁场的观测已经涵盖各个波段。关于太阳磁场，还有很多未解之谜有待揭开。

比如，太阳磁场到底是如何产生的？

“虽然有太阳磁场‘发电机理论对此进行解释，但是对太阳的观测主要停留在太阳表面，然后通过模拟、计算来推测内部的情况。”郑建川说，比如太阳磁场每隔11年就会反转，说明太阳磁活动周期为22年，这可以通过观测直接得到，但是为什么会有22年的周期还有待进一步研究。

另外，科研人员还十分感兴趣的问题是，太阳表面的温度是6000多摄氏度，但是日冕的温度却是几百万摄氏度。太阳的能量来自太阳的核心，既然太阳的表面是6000多摄氏度，为何更靠外的日冕却突然增高如此之多？这也是一个有待回答的问题。

“科学家一般认为，大部分恒星都是有磁场的。”张枚告诉笔者，通过研究太阳磁场，科研人员可以推测其他恒星的磁场情况。