【知道SET】太阳公公脸上的“雀斑”太阳黑子

本集主题：太阳公公脸上的“雀斑”太阳黑子

主讲人：夏莼

所在单位：云南大学物理与天文学院

太阳黑子是太阳上最基本的一种活动现象。历史上，人们很早就观察到了太阳明亮的圆盘上存在黑色的斑点。公元前两百多年前的西汉墓中，出土了两幅帛画，帛画上画的红色太阳中有一只黑色的乌鸦。当时人们把用肉眼模糊地看到的太阳黑子想象成乌鸦，于是有成语乌飞兔走形容日月流转、时光飞逝，还常用金乌来指代太阳。《汉书·五行志》中有一段对公元前28年的太阳黑子的文字记载“日出黄，有黑气大如钱，居日中央”。描述了日出时分，太阳光被大气和薄云所减弱后呈金黄色，人们用肉眼看到了日面中央有形如铜钱的黑斑。

伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564年2月15日—1642年1月8日）

在望远镜被发明2年后，从1610年开始，伽利略等科学家就开始用望远镜观测太阳黑子。观测发现太阳黑子由最黑的中心区域和外围相对没那么黑的环形区域构成，中心最黑的区域被称为黑子的本影，外围灰色带有放射状条纹的区域被称为半影。黑子的本影和半影的形象有点像我们人的瞳孔和虹膜。

黑子之所以会比较黑并不是因为黑子不发光，而是因为黑子的亮度比周围日面的亮度低很多，相对来说比较暗。黑子本影大约只有周围日面亮度的30%，所以看起来相对很暗。黑子的亮度低是因为黑子的温度比周围日面低1000～2000度，大概是3000～4000摄氏度。

为什么黑子的温度会比较低呢？1908年美国天文学家乔治黑尔利用太阳光谱中的塞曼效应发现了太阳黑子具有非常强的磁场，原来太阳黑子是太阳大气中磁场最集中的区域，聚集了垂直于日面方向相同的磁力线。太阳核心聚变反应产生的能量通过辐射向外传播穿过辐射层到达0.7个太阳半径处的对流层，内部的能量是通过太阳表面之下的对流区中的物质对流运动传递到太阳表面的，而在黑子区域，强磁场抑制了对流运动，能量传递效率降低，所以当地温度相对较低。太阳黑子的直径大约3500公里到6万公里。黑子通常成双成对出现，磁力线从一个黑子穿出太阳表面进入太阳大气再从另一个黑子进入太阳内部。每个黑子都有一个从产生、发展到消亡的生命过程，直径越大的黑子生命持续时间越长，6万公里大小的黑子能持续80到90天。

太阳黑子是如何产生的呢？要回答这个问题，需要知道太阳的磁场是如何产生的。太阳形成时，从分子云引力塌缩时就继承了分子云中微弱的种子磁场，分子云中的种子磁场如何产生还是一个未解之谜。

之后在太阳演化过程中，种子磁场被增强放大，人们提出了太阳发电机模型来解释太阳全球尺度磁场放大和演化的。太阳发电机模型认为产生太阳磁场的区域为太阳表面以下0.3个太阳半径的对流层。对流层的顶部到底部密度、压力等热力学参数相差上万倍，它的旋转和分层的特征是从无序的对流运动中产生有组织的大尺度磁场的关键动力学因素,它们会破坏湍流运动的均匀性和对称性,产生纬度方向的温度差别和雷诺应力,进而驱动大尺度的速度场,导致越靠近赤道的地区自转速度越快，越靠近南北两极的地方自转速度越慢，这种现象被称为较差自转。较差自转使得对流区中原本沿南北方向的大尺度磁场被低纬度更快的流动拉扯到主体沿东西方向，相同方向的电流相互吸引使得带电流的螺旋磁场逐步聚集并合形成螺旋的磁力线绳，简称磁绳。由于总压力平衡时，磁绳内部的密度低于磁绳外部，磁绳因此受到指向太阳表面的浮力而慢慢上浮，直到浮出太阳表面形成一对太阳黑子。

太阳黑子和附近区域被称为活动区，黑子浮现带来了巨大的磁场能量，部分磁场能量的释放驱动了太阳耀斑和日冕物质抛射等剧烈的太阳活动，形成太阳风暴。太阳风暴会对日地空间环境造成的巨大扰动会带来灾害性的空间天气。它传播到地球附近可能导致卫星损坏、电网停电、通信中断、导航失灵、威胁宇航员生命安全等严重后果。太阳黑子的数量呈现大约11年的周期性变化,太阳的活动水平也随黑子数量的多少而呈现11年周期的变化。太阳活动的周期变化会对地球气候的长周期变化产生重要影响。研究太阳黑子不仅具有理解恒星能量释放物理机制和天体磁场产生机制的科学意义，而且具还有预报空间天气、减小损失、保障宇航探索等现实意义。

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