太阳黑子与光斑的关系

用望远镜呈太阳放大像在投影屏上，常看到太阳像上有暗黑斑点，称为黑子；有时还看到亮的斑块，称为光斑（见图8-27）。

图8-27　太阳黑子和光斑

8.6.1.1　太阳黑子

我国古代用肉眼就看到了太阳表面的大黑子，有世界最早的黑子记载。例如，《汉书·五行志》记载公元前28年“三月乙未，日出黄，有黑气（即黑子），大如钱，居日中央”。18世纪中叶以来，开展了黑子的常规观测，现代太阳仪器可以观测黑子的精细结构、亮度分布、光谱以及温度、速度、磁场等特性。

黑子的温度为3000～4500 K，低于其周围物质温度（约5780 K），因而呈现为日面暗斑。黑子的大小不一，从几千千米到16万千米。大黑子有复杂结构，由中央很黑的本影和外面较暗的半影构成（见图8-28）。半影含有很多亮条纹，其间夹有暗纤维，有些呈径向纤维结构，有的呈旋涡结构。半影的平均亮度为光球的75%，而亮纹和暗纹各为95%和60%。本影还有本影（亮）点、亮桥、本影闪耀等活动现象。

图8-28　黑子的形态结构

黑子从出现到消失，经过一系列形态结构演变。黑子初现时是小黑点，逐步发展为两个大黑子，西边的为前导黑子，东边的为后随黑子，两者的磁场极性相反，其间又有一些小黑子，它们组成一个黑子群（见图8-29）。继之，后随黑子和前导黑子先后逐渐消失。

图8-29　黑子群的演变

有的小黑子只存在3 h，多数黑子的寿命小于11 d，而大黑子的寿命长达几个月甚至一年以上。统计得出，黑子群的寿命大致与它的极大面积成正比。

每个黑子都有很强的单极磁场，面积大的黑子有更强磁场。少数黑子的磁场达4000 Gs。黑子出现之初和消失之前，磁场变化较大，而中间期磁场变化不大。一个黑子内的磁场强度在中心最大，随远离中心向外减小。

太阳与日球观测台（SOHO）的多普勒摄像仪可测定黑子周围及其下面的声速，因而得到气体的温度和运动，作出黑子内及其下面的物质环流三维图（见图8-30）。黑子是强磁场区约束太阳的离子气体，阻断下面的对流向上加热表面，因此，黑子内的气体有机会冷却而变成暗黑。黑子好比排水渠，以4000 km／h的速率抽取周围物质，导入太阳表面之下。当气体冷却时，就变密而下沉。物质内流力使磁力线保持在一起而扩展开。同时，下面继续对流，但深处热气体不能上升而破坏上面冷的（黑子）磁区，只能从下面挤压黑子，向外侧扩展。

图8-30　太阳黑子物质环流三维图（彩图见附图B）

1843年，德国天文学家海因里希·施瓦贝（Heinrich Schwabe）发现黑子的消长约有10年的重复性。为统计研究黑子活动规律，1848年瑞士天文学家兼数学家鲁道夫·沃尔夫（Rudolf Wolf）首先提出黑子相对数（简称黑子数或沃尔夫数）：

式中，g为日面黑子群的数目，f为个别黑子的总数，K为换算因子。现在综合世界各天文台资料而得出每天的国际黑子相对数Ri。1849年始有黑子数连续的月均值和年均值。

沃尔夫利用历史上望远镜观测积累的资料，发现黑子相对数的年均值约有平均11.1年的周期变化。图8-31给出黑子相对数月均值的变化，可以看出，黑子数有一系列极大年（峰年）和极小年（谷年），近似有平均11年的周期变化，但连续两个极大（或极小）的时间间隔却有短于9年的，也有长于13年的，而且各个极大值也不同。(www.xing528.com)

图8-31　太阳黑子数的月均值变化

从物理意义上说，黑子面积数是更好的指数。黑子面积数分为两种：圆面积（视面积）数A和半球面积数C。圆面积数A是日面黑子的总面积以日面面积的百万分之一为单位的数值。半球面积数C是日面黑子的总面积（加投影改正归算到日面中心）以太阳半球面积的百万分之一为单位的数值。每天的黑子面积数与黑子相对数R没什么明显关系，但年均值大致有如下关系：

1874年才开始有黑子面积数的连续资料。美国的SGD（Solar-Geophysical Data）和我国国家天文台主办的期刊《太阳地球物理资料》经常公布黑子相对数和面积数等资料（见图8-32）。

图8-32　黑子面积月均值的变化（图中数字是活动周编号）

早在1858年，卡林顿就发现黑子的日面纬度分布变化很有规律。德国人古斯塔夫·斯玻勒（Gustav Spörer）于1860年进一步确定了黑子的日面纬度分布规律：黑子很少出现在赤道两旁纬度±8°的区域内和纬度±45°以上区域；在每个黑子周开始时，黑子一般出现在纬度±30°附近，数月后黑子逐渐增多，出现的平均纬度随时间而减小，末期黑子数减少且在纬度±8°消亡，新的黑子又在纬度±30°出现，如此周而复始的黑子分布规律称为斯玻勒定律（Spörer's law）。黑子群的纬度-时间分布形似一队蝴蝶，因而称为蝴蝶图（见图8-33）。许多专家对蝴蝶图的含义进行了研究，但是直到现在还没有确定的结论。

图8-33　黑子的日面纬度分布“蝴蝶图”

为了便于记录黑子活动的变化过程，国际上规定给每个活动周（从极小年起算）编号，以1755年开始的为第一（活动）周，以后顺序编号，现在处于第24周。每个活动周都有相似特点：上升期较短、较陡；而下降期较长、较平缓。一些学者用数学方法来分析黑子数均值的时间序列，试图找出其规律的表达式，并进而推算预报未来的黑子数，但很难逐一准确应验。

黑子常成对出现，而且前导和后随黑子的磁场极性却相反，称为双极群。海耳首先发现，在同一黑子活动周内，例如第14周，太阳北半球的前导黑子总是S极、后随黑子总是N极；而南半球则相反，前导黑子总是N极、后随黑子总是S极；到下个活动周，黑子极性则相反。从磁场极性分布特征来说，黑子活动有22年（磁）周期。

太阳黑子活动是否有更长的周期。有些学者从日地关系来考证黑子活动的长周期性，如，G.F.威廉斯（G.F.Williams）从澳大利亚冰期变化得到11年、22年、145年、290年周期和弱的90年周期。最近的一种理论声称，在太阳的核心有磁不稳定性引起周期的41000年或100000年的波动。这些可以更好地解释米兰科维奇循环（Milankovitch cycles）的冰河时代。

1843年，斯玻勒首先发现1645—1715年几乎没有黑子记录，1894年英格兰天文学家E.W.蒙德（Edward Walter Maunder）把这一时期称为太阳黑子“延长极小期”，1922年他又以极光记录少来佐证极小期（见图8-34）。1976年J.A.艾迪（J.A.Addy）综合极光和黑子记录及树木年轮中放射性14C含量和日冕观测记录，认为1645—1715年太阳活动很弱，称为蒙德极小期（Maunder Minimum）。但包括我国一些学者对于是否存在蒙德极小期提出异议。

图8-34　黑子数的长期变化

8.6.1.2　光斑

用白光或连续光谱观测日面时，在边缘部分［主要在（0.6～1）R⊙区域］见到亮些的不规则斑块——光斑。光斑常伴随黑子，它们彼此密切联系。光斑比黑子先出现几小时或几天，聚集成两部分，具有类似黑子群的偶极特性，寿命比黑子长（平均寿命为15天，长的可达2.7个月），也有约11年的活动周期。光斑的纬度分布也与黑子类似，但比黑子分布带宽些。此外还有分布在纬度70°以上的极区光斑，其出现与黑子没有明显关系。日面中心区很少见到光斑亮于光球背景，而在边缘区域的光斑则亮5%～10%；用谱线观测时，反衬增大，易观测到日面中心区的光斑。

光斑温度比光球高些（约高几百开）。光斑也有精细结构，由纤维和米粒组成。与黑子有关的光斑主要由亮纤维构成，纤维宽为7″～15″，长为70″，它们大约垂直于赤道；极区光斑由米粒组成，寿命为几十分钟到几小时。