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时而温柔时而暴躁 太阳活动周期“画风”迥异_科技频道

太阳活动经过一段长时间的沉寂,从2019年11月浮现的太阳黑子(AR2750)开始,便偶有一些爆发现象,这些现象可能意味着太阳正进入一个新的活动周期??第二十五太阳周。

威力惊人 对地球“软硬兼施”

太阳活动周期是除地球自转和公转所带来的日夜交替与四季变化外,对人类社会产生重大影响的另一个天文周期。随着信息时代的到来,太阳活动对于人们生活的影响越来越广泛,也越来越重要。其中最显著的,莫过于太阳耀斑与日冕物质抛射等现象的影响,例如干扰卫星通信、影响洲际航班,更有甚者会破坏电力网络与石油运输管道。

1989年3月,太阳爆发事件导致加拿大魁北克省的水电传输网络瘫痪。这种剧烈的能量释放现象往往大量集中出现,集中出现的时段就被称为该太阳周的极大期。例如,在刚刚过去的第二十四太阳周,太阳于2014年爆发了约四十个左右的M级以上的大耀斑,一个M级耀斑释放的能量相当于一亿颗“小男孩”原子弹爆炸所释放的能量。而在该太阳周末尾,2019年中最大的一次耀斑活动也只有C级,释放的能量仅是M级耀斑的十分之一左右。

而太阳活动带来的另一种“产品”??高能粒子,或许“激活”了早期地球大气中稳定的氮气并参与一系列化学反应,从而促进一些重要有机分子的合成,推动了早期生命的形成。

周期长短不一 黑子数也不尽相同

人们将1755年开始的太阳周作为第一周期进行计数。十九世纪人们开始对太阳黑子进行统计研究,发现太阳黑子数有着平均11年左右的准周期。不同的太阳周也会在时间和活动性上表现出差异。从时间来看,较短的太阳周只有9年,长的可达14年之久;从活动性来看,有的太阳周中的黑子数会明显少于其他时期。例如刚刚过去的第二十四太阳周就呈现出相对较少的黑子数与太阳爆发事件等特征,有学者认为接下来的第二十五太阳周的太阳黑子数或许会比第二十四太阳周更少。

历史上曾出现过更加极端的情况。在1645至1715年之间,太阳表面只能偶尔观测到极少数的黑子,这段时间被称为蒙德极小期。值得注意的是,蒙德极小期似乎与明末清初时的小冰期具有关联性。利用南极和格陵兰岛冰核中的铍10浓度,学者们可以重构出更加远古时期的太阳黑子数。历史上太阳活动曾经历过很多次极小期,太阳活动性的长时间变化是否真的对地球气候产生影响,仍然是一个有待深入研究的复杂课题。

在过往的太阳周中,曾经发生过很多次十分剧烈的太阳爆发现象。在第十太阳周,1859年,理查德?克里斯托费?卡灵顿观测到了人类历史上第一个,也是目前为止最具威力的太阳耀斑事件,即著名的卡灵顿耀斑事件。他还注意到在18个小时之后发生了地磁暴,并指出二者之间可能存在的关联性。

认清本质 探寻更多太阳奥秘

自从1908年乔治?海尔发现太阳黑子中的强磁场后,人们才逐渐意识到太阳活动周期的本质是其磁场的周期,每两个太阳周之间会发生一次太阳南北半球的磁极反转,所以为期11年的黑子数周期实际上是对应了为期22年的磁场周期。这样的周期源于太阳发电机机制,该机制基于太阳对流层不同深度和不同纬度的差速自转,将对流层的动能转换为电磁场的能量,并令太阳磁场的轴向通量与环向通量相互转换,从而形成了太阳周期。尽管这样的理论模型可以解释很多观测现象,但是对于太阳周的预测还需要更加复杂的模型和定量的计算,无论是理论还是实践都十分具有挑战性。

伴随着从上世纪开始的大量空间探测任务,太阳爆发现象与地球空间环境之间的关联性被逐渐揭开。太阳风所携带的磁场与地球磁场之间的相互作用(磁场重联)将能量注入地磁层造成磁暴,而进入地球磁场的高能粒子沿着磁场传播到南北两极的高层大气,与大气中的原子分子碰撞激发释放能量并产生了光芒,这便是我们看到的极光。旧唐书中曾有记载,唐大历九年(公元774年)“十二月丙子夜……东方约上有白起十余道,如匹帛,贯五车、东井、舆鬼、觜、参、毕、柳、轩辕,三更后方散”。平时的极光往往只发生在地球南北两极的高纬地区,而史书上的这次记录却显示极光出现在了低纬地区,间接反映了那次太阳爆发事件的巨大威力,使得低纬地区的地球磁场也受到了影响。该史料也与南极冰层中的铍10激增和古树中提取到的碳14增丰相互印证。值得庆幸的是,这样剧烈的爆发性事件还未发生在当今的信息化社会,否则,现代通信、交通等都会受到严重影响。

太阳周期自身的物理本质及其对行星环境与生命的影响还有待学者们的进一步研究。近年来发射的多颗科学观测卫星可以帮助人类进一步理解这颗既熟悉又陌生的恒星。