4．太陽黑子和耀斑

前面我們提到，太陽能量至少可以再維持上百億年，雖然太陽是一顆十分穩(wěn)定的恒星。但是在它的能量從核心向外輻射的一些物理過程中仍然會(huì)發(fā)生各種各樣的復(fù)雜變化。這種復(fù)雜的變化在太陽光球、色球和日冕的某些區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出來，我們把它們叫做活動(dòng)區(qū)，這些活動(dòng)區(qū)的一些現(xiàn)象，就叫做太陽活動(dòng)；其他相對(duì)平靜的區(qū)域，叫做靜寧的太陽。所謂太陽活動(dòng)，就是指太陽表面的某些局部的太陽現(xiàn)象，如黑子、耀斑、日珥、米粒組織和超米粒等活動(dòng)現(xiàn)象。以下我們只對(duì)那些影響地球的太陽活動(dòng)作簡要的介紹。

在各種太陽活動(dòng)中，太陽黑子是最基本的。最早的太陽黑子記錄的是在我國。如《漢書·五行志》記載：“日出黃，有黑氣大如錢，居日中央”。這是漢成帝河平元年三月乙未（公元前28年）的一次黑子記錄。也是世界上公認(rèn)最早的太陽黑子紀(jì)錄。我國歷史文獻(xiàn)《周易》中記有“日中見斗”，《淮南子·精神訓(xùn)》記有“日中有蹲鳥”。從這些記載，我國古代觀察到的太陽黑子形狀如“斗”、如“錢”、如“烏鴉”。但在漢代以前的黑子記錄，沒有確切的日期。

現(xiàn)代人用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到太陽黑子的形狀，一般呈橢圓形或圓形，比較大的黑子中間部分略比周圍凹陷，形如碟狀。黑子中間部分比較暗黑，叫黑子的本影，周圍稍淡一些的部分叫“半影”（如圖3-4）。黑子并不黑，只是它比光球的溫度低，約4500K，在明亮的光球背景上，才顯得較黑。

圖3-4　太陽黑子與光斑

1774年英國天文學(xué)家威爾遜開始對(duì)黑子作系統(tǒng)觀測(cè)與研究，自此才有了連續(xù)的觀測(cè)記錄。1826年，法國業(yè)余天文愛好者施正布，堅(jiān)持業(yè)余觀測(cè)達(dá)43年之久，發(fā)現(xiàn)了黑子由多轉(zhuǎn)少，再由少轉(zhuǎn)多的周期性，他于1843年提出黑子數(shù)目存在平均11年的變化周期，到1851年得到證實(shí)。后來人們把這平均11年的黑子變化周期叫做太陽活動(dòng)基本周。

1846年，法國天文學(xué)家讓桑，最先把照相技術(shù)用來拍攝太陽黑子，1855年拍到了第一張高質(zhì)量的太陽黑子照片，不僅看到了黑子的半影纖維結(jié)構(gòu)，而且還拍到了光球上的米粒。1908年，美國天文學(xué)家海耳，發(fā)現(xiàn)了黑子有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，1912—1918年，他又發(fā)現(xiàn)了太陽也存在普通磁場(chǎng)，1953年，美國天文學(xué)家巴布科克研制出太陽磁像儀，為精確測(cè)定太陽磁場(chǎng)提供了可能。此后，各種類型的磁像儀的研制相繼問世并投入使用，我國北京天文臺(tái)也研制出較先進(jìn)的磁像儀。由于觀測(cè)儀器的改進(jìn)，使得后來又發(fā)現(xiàn)了太陽局部磁場(chǎng)、磁場(chǎng)變化和磁結(jié)點(diǎn)等。

與太陽黑子密切相關(guān)的是太陽耀斑。在太陽黑子周圍，往往有一大片明亮的區(qū)域，叫做光斑（見圖3-4），或者叫光球光斑。實(shí)際上，光斑與黑子不是連在一起的，只是光斑在黑子的上面，或者說光斑是在光球的最上面。

用特殊的望遠(yuǎn)鏡（色球望遠(yuǎn)鏡或者是單色分光儀），可以在太陽單色像上看到光斑，叫色球光斑。這兩種光斑實(shí)際上是一個(gè)整體，色球光斑在色球?qū)?，光球光斑在光球?qū)?，好比一個(gè)是頭，一個(gè)是腳，一個(gè)在上，一個(gè)在下。在上面的色球光斑又叫耀斑（見圖3-4），它是太陽上最強(qiáng)烈的爆發(fā)現(xiàn)象。一般地，在耀斑的下面有黑子，只有極少數(shù)出現(xiàn)在大于太陽緯度70°的高緯區(qū)，緯度70°以上，沒有黑子，高緯度區(qū)的黑子壽命也比較短，平均只有半小時(shí)左右。

由于耀斑出現(xiàn)在色球?qū)?，除特殊的儀器外，要看到耀斑是極為困難的，在白光照片上能看到的耀斑，叫白光耀斑。第一次觀測(cè)到白光耀斑是在1859年9月1日。1981年9月5日紫金山天文臺(tái)拍到一個(gè)白光耀斑。一般認(rèn)為白光耀斑是最大最亮的耀斑，因而，它的輻射能量也是很大的。1989年3月6日～9日期間，大耀斑頻頻出現(xiàn)，在3月13日，云南天文臺(tái)觀測(cè)到了近30年來從未見到的一群大黑子，它的面積為3589個(gè)單位（1單位相當(dāng)于太陽圓面的百萬分之一）。這么大的太陽黑子群，相當(dāng)于1250個(gè)地球圓面的面積。

近十幾年來對(duì)耀斑的研究表明，色球耀斑只是耀斑過程的次級(jí)效應(yīng)，耀斑實(shí)際上是從日冕中開始爆發(fā)出來的。一開始是軟X射線爆發(fā)，日冕的溫度在幾分鐘內(nèi)可以達(dá)到10⁷K以上，然后很快下降。能量傳到下面的色球?qū)?，使色球?qū)拥牡入x子體加熱。耀斑所釋放的能量在10～20分鐘內(nèi)可以達(dá)到3×10³²～3×10³³爾格，相當(dāng)于地球上10萬～100萬次強(qiáng)火山爆發(fā)，并且伴有X射線輻射、高能質(zhì)子流和宇宙射線。

人們感到奇怪的是，為什么一次耀斑爆發(fā)會(huì)釋放出這么大的能量？這么大的能量來自何處？為何如此迅速？耀斑爆發(fā)的物理機(jī)制是什么？這些都是當(dāng)代太陽物理研究中的主要課題。天文學(xué)家們已提出了許多模型，比較成功的是美國天文學(xué)家斯塔拉克提出的“磁力線再聯(lián)結(jié)”模型。

前面已提到太陽存在普遍磁場(chǎng)和局部磁場(chǎng)。磁場(chǎng)是以磁力線來描述的。一根磁條有兩磁極，一端是N極（北極），另一端是S極（南極）。太陽磁場(chǎng)是偶極子場(chǎng)，就像一根磁條的磁場(chǎng)那樣，磁場(chǎng)的方向，就是磁力線的方向，從N極出來，指向S極。耀斑有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，來自太陽局部磁場(chǎng)。一個(gè)體積約為10²⁹立方厘米的區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到100高斯，其一旦瓦解，足以提供一個(gè)大耀斑的爆發(fā)所需要的能量。

斯塔拉克的耀斑爆發(fā)“磁力線再聯(lián)結(jié)”模型指出：太陽的大氣中所謂的“中性點(diǎn)”（磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的地方）附近，同樣受到來自兩側(cè)磁場(chǎng)的壓力，磁場(chǎng)很不穩(wěn)定，有封閉磁場(chǎng)，也有開放磁場(chǎng)。磁力線在這個(gè)區(qū)域可以再聯(lián)結(jié)（磁力線纏繞），在聯(lián)結(jié)的過程中，釋放出巨大的能量，并分別形成沿弧形軌道向上和向下運(yùn)動(dòng)的高能粒子流。圖3-5是不穩(wěn)定磁場(chǎng)和磁力線再聯(lián)結(jié)產(chǎn)生耀斑的示意圖。

圖3-5　太陽表面的磁力線結(jié)構(gòu)

空間觀測(cè)表明，耀斑爆發(fā)來自日冕中的微小核心，由于它發(fā)射高能粒子流，沿著環(huán)形軌道向下，經(jīng)過色球沖擊光球。這一過程產(chǎn)生的是可見光耀斑（即白光耀斑）。雖然觀測(cè)有力地支持斯塔拉克的理論，但仍有許多的問題需要再作更深入的研究，有人說當(dāng)代的太陽物理學(xué)中的問題，已發(fā)現(xiàn)的問題比已解決的問題要多得多。

太陽活動(dòng)還有其他許多現(xiàn)象，如日珥、暗條（日珥在光球上的投影）和光斑等，在此都未作詳細(xì)介紹。總的說來，太陽活動(dòng)對(duì)地球的影響，以黑子和耀斑為主。太陽活動(dòng)的各種現(xiàn)象是共生的，它們都受太陽局部磁場(chǎng)的支配。

從太陽活動(dòng)的全過程來看，局部磁場(chǎng)出現(xiàn)后，接著登臺(tái)表演的是光斑，在光斑區(qū)域可能出現(xiàn)小的黑子，在日冕中會(huì)發(fā)現(xiàn)日冕綠色光譜線增強(qiáng)，它是鐵元素的13次電離的離子譜線，波長為5303埃。一天以后，第一個(gè)黑子出現(xiàn)在光斑區(qū)域；在色球上出現(xiàn)小的暗條，開始有活動(dòng)日珥出現(xiàn)。2～5天后就會(huì)發(fā)現(xiàn)有耀斑活動(dòng)，磁場(chǎng)的范圍很快擴(kuò)大，在光斑區(qū)域明顯地看到出現(xiàn)雙極黑子群，在光斑的西邊是先行黑子，在東邊的是后隨黑子，它們的極性相反，即一個(gè)是N極，一個(gè)是S極，并且在這兩個(gè)黑子之間有小黑子逐漸出現(xiàn)。同時(shí)，在先行和后隨黑子之間出現(xiàn)耀斑，相繼出現(xiàn)日珥。大約11天以后，光斑增大、變亮，范圍達(dá)15萬千米左右。這時(shí)的黑子群發(fā)育到最大，耀斑的數(shù)目也達(dá)到極大，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布很不規(guī)則，當(dāng)太陽自轉(zhuǎn)一周后，光斑再變大，這群黑子中除先行黑子外，其余黑子都將消失。5303埃譜線達(dá)到最大亮度，耀斑減少，磁場(chǎng)強(qiáng)度也達(dá)到最大。大約在太陽再轉(zhuǎn)一周后，光斑變暗，這群黑子全部消失（其他活動(dòng)區(qū)仍有黑子存在），5303埃譜線強(qiáng)度減弱，暗條長達(dá)10萬千米。第三個(gè)自轉(zhuǎn)周，光斑減弱，但大小沒有什么變化，這時(shí)光斑中盡管看不見黑子，暗條卻繼續(xù)伸長，說明日珥繼續(xù)在增大，但磁場(chǎng)減弱；到第四個(gè)太陽自轉(zhuǎn)周后，光斑消失，這一活動(dòng)區(qū)，除暗條的長度達(dá)到極大，幾乎與太陽赤道平行以外，耀斑也消失不存在了。到第五個(gè)太陽自轉(zhuǎn)周。這一活動(dòng)區(qū)，除磁場(chǎng)增大到日面的5%外，其他的活動(dòng)現(xiàn)象基本上都消失了，直到第10個(gè)太陽自轉(zhuǎn)周，磁場(chǎng)區(qū)域增大到日面的20%，偶極磁場(chǎng)變?yōu)閱螛O場(chǎng)，即局部磁場(chǎng)消失。說明這一活動(dòng)區(qū)已經(jīng)消失了。某一活動(dòng)區(qū)的出現(xiàn)或消失，是以局部磁場(chǎng)起主導(dǎo)作用的；局部磁場(chǎng)先于太陽活動(dòng)現(xiàn)象而存在，又后于活動(dòng)現(xiàn)象而消失。磁力線像無數(shù)條無形的繩索，把太陽的大氣層——光球、色球和日冕依次連貫起來，從而使得太陽內(nèi)部的物理過程在太陽表面充分地表現(xiàn)出形形色色的各種復(fù)雜的現(xiàn)象。