太阳活动

太阳大气层活动的总称

太阳活动是太阳大气层里一切活动现象的总称。主要有太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和日冕瞬变事件等。由太阳大气中的电磁过程引起。时烈时弱，平均以11年为周期。处于活动剧烈期的太阳（称为“扰动太阳”)辐射出大量紫外线、x射线、粒子流和强射电波，因而往往引起地球上极光、磁暴和电离层扰动等现象。

简介

太阳活动是太阳大气中局部区域各种不同活动现象的总称。包括：

太阳黑子是太阳活动的基本标志

光斑：太阳光球边缘出现的明亮组织，向外延伸到色球就是谱斑。光斑一般环绕着黑子，与黑子有密切的关系。

谱斑：太阳光球层上比周围更明亮的斑状组织。

太阳风：太阳风形成的带电粒子流造成了地球上的极光

耀斑：发出的强大的短波辐射，会造成地球电离层的急剧变化。对人类的影响很大。造成短波通讯中断。

日珥：在日全食时，太阳的周围镶着一个红色的环圈，上面跳动着鲜红的火舌，这种火舌状物体就叫做日珥。

日冕：日冕是太阳大气的最外层（其内部分别为光球层和色球层），厚度达到几百万公里以上。日冕温度有100万摄氏度，粒子数密度为1015m3。在高温下，氢、氦等原子已经被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。日冕只有在日全食和利用日冕仪时才能看到。

影响：太阳活动对于地震、火山爆发、旱灾、水灾、人类心脏和神经系统的疾病，甚至交通事故都有关系。因此也形成了太阳活动预报这门学问。

太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的现象。它实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，像是一个浅盘，中间下凹，温度比光球层表面的温度低1000℃到2000℃，所以看起来比较“黑”。

研究历史

早在公元前140年左右，人类就开始有了对太阳黑子的目测记录，只是当时人们并不知道那代表的是什么。直到一百多年前，英国人卡灵顿观测到一个黑子区的大爆发并将它记录下来，太阳黑子的神秘面纱才逐渐被揭开。由此，科学家们开始真正地研究起黑子来，并发现了其平均活动周期为11年。

太阳活动变化的最长久纪录是太阳黑子的变化。太阳黑子的第一次纪录大约是在西元前800年前的中国，最老的描绘纪录约在西元1128年。在1610年，天文学家开始用望远镜纪录黑子和它们的运动，最初的研究聚焦于本质和行为。然而，黑子的物理性质直到20世纪能位被辨认，所以观测还在持续中。在17世纪和18世纪，由于黑子的数目偏低，使得研究受到了阻碍，而现在认为是太阳活动低潮被延长的一段期间，如同所知的蒙德极小期。在19世纪之前，已经有足够长的数值纪录可以推断黑子活动的周期性。在1845年，普林斯敦大学的教授约瑟夫·亨利和史蒂芬·亚历山大使用热电堆观测太阳，并且确认黑子的辐射比周围地区的太阳表面为低；稍后又观测到太阳的光斑发射出的辐射高于平均数值。

大约在1900年，研究人员开始探索太阳活动和地球上天气间的关联性，特别值得注意的是查尔斯·格里利·阿布特的工作，因为他在史密松宁天文物理观测所（SAO）领导观察太阳辐射的变化。它的团队必须从发明测量太阳辐射的仪器开始，之后，当他成为SAO的领导人时，他在智利的卡拉玛建立太阳观测站，以补威尔逊山天文台在数据资料上的不足。他在273个月的海耳周期中找出了27个谐波的周期，包括7、13、和39个月的模式。他通过城市各个月的天气纪录，像是温度变化与降雨量与太阳活动匹配或反对太阳活动的趋势，寻找天气间的关联性。随着树龄学的发展，像是沃尔多·S.·葛洛克等科学家注意到树木的生长和现存纪录上太阳活动周期之间的关联性，并且以长达世纪的太阳常数变化，推论千年尺度的年代学也有相似的变化。

统计学上的研究显示天气和气候与太阳活动的关联是世纪性的，数据回推至1801年，当威廉·赫歇尔注意到麦子的价格和黑子纪录之间有明显的关联性。他们现在以来自表面的网络收集和气象卫星观察的数据作全球性高度密集的比对，以综合或观察研究太阳变异的作用如何通过地球气候系统散布的详细过程，并且/或强迫建立气候模型。

主要标志

是太阳黑子和耀斑。耀斑是太阳活动最激烈的显示。对地球的气候(降水) ，电离层 (无线电短波通讯) ，磁场(有“磁暴”现象) 和在高纬度的夜空有极光出现。其平均周期约为11年。

主要表现

太阳黑子

太阳黑子是太阳强烈的磁场活动抑制了对流的作用，因而使得于表面温度相对较低、颜色较暗的区域。黑点的数量关联到太阳辐射的强度，在1980年代，以阿布特、Foukal等人（1977年）意识到辐射的增加值与黑子的关联性，只依据一颗卫星的观测，估计其变异是很小的（只有1 W/m2的等级或总量的0.1%）。雨云7号（在1978年10月25日发射）和太阳极大期任务卫星（1980年2月14日发射）查出，因为围绕黑子周围的区域更加明亮，整体的作用是越多的黑点意味着太阳越明亮。

曾有一些建议认为太阳直径的变化也许会导致输出的改变，但是最近的工作，主要是SOHO的米契森多普勒影像仪，显示这种变化量极为微小，大约只有0.001%（Dziembowski et al., 2001）。各种各样的研究都应用了黑子数目来进行（因为这项纪录已延续了数百年）做为其他太阳输出活动的代理（因为最好的也只有数十年的观测资料），同样的，地面仪器与在轨道极高高度上的仪器之间也做了比对和较准。研究人员结合目前的数据和调整历史上的数据，其他代理的资料－像是宇宙射线产生的同位素－被用来推断太阳磁场的活动和可能的亮度。

太阳黑子的活动已经使用沃夫数测量了300年之久，这个索引（也称为苏黎世数）使用黑子的数量和群组数量两者补偿在测量上的变化。芬兰Oulu大学的Ilya Usoskin在2003年的研究指出，黑子的活动从1940年代开始比过去的1150年都要频繁。重建太阳黑子的11,400年活动期间，在8,000年前曾经有明显的活跃期。透过树龄学使用放射性碳的浓度变化，已经重建了11,400年的黑子数目。在过去70年的太阳活动水平似乎是异常的，而相似的巨大变化最后一次大约发生在8,000年前。太阳的磁性活动较过去的11,400年高出了大约10%，并且早期的高活动性期间都比现在的事件要短。

太阳周期

太阳周期是太阳行为上的循环变化，许多可能的模式曾被建立起来，但在观测上只有11年和22年的周期是很清楚的被观察到。

11年：最明显的是黑子数量在大约11年的周期中逐渐增加和减少，也因为施瓦贝的观测被称为施瓦贝周期。巴布科模型以磁场的流出和卷入来解释此一周期。当太阳黑子增加时太阳表面的活动也最活跃，然而光度由于明亮的斑点也增加而没有改变(光斑)。

22 年：海尔周期，因乔治·埃勒里·海耳得名。在每一个施瓦贝周期，太阳的磁场都会扭转，因此磁极要两次扭转之后才会回到相同磁极的状态。

87年（70-100年）：格莱斯堡周期，因沃尔夫冈·格莱斯堡而得名，被认为是施瓦贝11年周期的调幅(Sonnett and Finney, 1990).Braun, et al, (2005)。

178年：Jose(1965)研究发现，太阳绕太阳系质心绕转的角动量变率具有178.76年周期，太阳绕瞬时曲率中心的角动量变率具有178.70年周期，并发现二者和太阳22年磁周期存在很好对应关系。

210年：Suess周期，Suess和de Jong等则测得了树年轮~(14)C含量周期大约为200年的变化,这些工作中得到的~(14)C含量变化的幅度在1%至2%之间,反映了太阳风对银河系宇宙射线的调制作用。

2,300 years：哈尔斯塔周期，太阳轨道运动和太阳自转角速度变化具有稳定的Hallstatt特征周期.它们都是由最基本的22周期集合而成，而这种22年周期的峰值和太阳活动奇数周的峰值对应，谷值和太阳活动偶数周一一对应.而峰值对应太阳黑子磁极性指数的极大值，谷值对太阳黑子磁极性指数的极小值，这说明Hallstatt周期的峰值也是由太阳黑子磁极性指数极大值构成，因此可以推断太阳活动的Hallstatt长周期也应该是太阳活动在千年尺度上的磁周期.

对地球的影响

电离层的影响

地球大气层在太阳辐射的紫外线、X射线等作用下形成电离层，无线电通讯的无线电波就是靠电离层的反射向远距离传播的。当太阳活动剧烈，特别是耀斑爆发时，在向阳的半球，太阳射来的强X射线、紫外线等，使电离层D层变厚，造成靠D层反射的长波增强，而靠E层、F层反射的短波却在穿过时被D层强烈吸收受到衰减甚至中断，如1970年11月5日长途台曾因此中断2小时；这被称为“电离层突然骚扰”。这些反应几乎与大耀斑的爆发同时出现，因为电磁波的传播速度就是光速，大约8分多钟即可由太阳到达地球表面，所以反应非常快。经过一段肘间以后耀斑产生的带电的高能粒子逐渐到达地球，它们受地球磁场的作用向地磁极两极运动，因而影响极区的电离层，造成高纬度地区的雷达和无线电通讯的骚扰，甚至中断。这被称为“极盖吸收”和“极光带吸收”，它的影响时间较长。

整个地球是一个大磁场。地球的北极是地磁场的磁南极，地球的南极是地磁场的磁北极。地极和磁极之间有大约11度的夹角，因此地球的周围充满了磁力线，不同的位置有不同的地磁强度。平时地磁受多方面的影响，会有不同程度的扰动，而影响最大的就是磁暴现象。磁暴一般发生在太阳耀斑爆发后20－40小时，它是地磁场的强烈扰动，磁场强度可以变化很大。这时太阳风速往往增加，并且向太阳一面的磁层顶面可由距地心8－11个地球半径被压缩到5－7个地球半径，磁暴的发生对人类活动，特别对与地磁有关的工作都会受到影响。

气候的影响

太阳活动与地球上气候变化的关系也是比较明显的，地球上气候变化与黑子数目变化周期密切相关，可是其具体的作用机制还远远没有搞清楚。世界许多地区降水量的年际变化，与黑子活动的11年周期有一定的相关性。另外，我们只是发现，亚寒带的许多树龄很高的树木，它们的年轮恰恰有着与黑子活动11年周期相对应的、有规律的疏密变化。同时从统计资料中，我们发现凡是黑子活动的高峰年，地球上特异性的反常气候出现的机率就明显地增多；相反，在黑子活动的低峰年，地球上的气候相对就比较平稳。另外地球高层大气的变化也与太阳活动相关。地震、水文、气象等多方面的研究都说明了太阳活动对地球的影响，关于这方面的物理机制还在研究中。

磁场的影响

整个地球是一个大磁场。地球的北极是地磁场的磁南极，地球的南极是地磁场的磁北极。地极和磁极之间有大约11度的夹角，因此地球的周围充满了磁力线，不同的位置有不同的地磁强度。平时地磁受多方面的影响，会有不同程度的扰动，而影响最大的就是磁暴现象。

太阳大气抛出的带电粒子流，能使地球磁场受到扰动，产生“磁暴”现象，使磁针剧烈颤动，不能正确指示方向。当太阳上黑子和耀斑增多时，发出的强烈射电会扰乱地球上空的电离层，使地面的无线电短波通讯受到影响，甚至会出现短暂的中断。磁暴一般发生在太阳耀斑爆发后20-40小时，它是地磁场的强烈扰动，磁场强度可以变化很大。这时太阳风速往往增加，并且向太阳一面的磁层顶面可由距地心8-11个地球半径被压缩到5-7个地球半径，磁暴的发生对人类活动，特别对与地磁有关的工作都会受到影响。它会使罗盘磁针摇摆，不能正确指示方向，影响到海上航行之船、空中飞行之机、甚至信鸽的飞翔。

在磁暴发生时，高纬度地区常常伴有极光出现。极光常常出现于纬度靠近地磁极地区25度-30度的上空，离地面100-300千米，它是大气中的彩色发光现象，形状不一。常出现极光的区域称为极光区。由于来自太阳活动区的带电高能粒子流到达地球，并在磁场作用下奔向极区，使极区高层大气分子或原子激发或电离而产生光。当太阳活动剧烈时，极光出现的次数也增大。

地球两极地区的夜空，常会看到淡绿色、红色。粉红色的光带或光弧，这叫做极光。极光是带电粒子流高速冲进那里的高空大气层，被地球磁场捕获，同稀薄大气相碰撞而产生的。

太阳活动对地球的影响太阳活动有时比较平静，有时比较剧烈；太阳有自转，太阳上的活动区有时对向地球，有时又背向地球；地球本身有自转又有公转，因此太阳活动对地球的影响是很复杂的，周期也是各种各样的，如日周期、27天周期、年周期、11年周期等等。这里主要谈耀斑和快速变化的黑子群对地球的影响，小活动造成的影响及平静太阳对地球产生的各种各样的影响就不涉及了。

耀斑及黑子对地球的电离层、磁场和极区有显著的地球物理效应。

航天的影响

大耀斑出现时射出的高能量质子，对航天活动有极大的破坏性。高能质子达到地球附近肘，特别是容易到达无辐射带保护的极区，会影响极区飞行；如遇卫星则对卫星上的仪器设备有破坏作用；太阳能电池在高能质子的轰击下，性能会严重衰退以至不能工作；如遇在飞船外工作的宇航员将危及生命。

太阳活动达到高峰时，地球上太平洋热带及亚热带地区气温升高、海水加速蒸发、西太平洋热带海域的降雨增多，而与此同时，东太平洋热带海域气温降低，这一现象类似于拉尼娜现象。在接下来的一两年中，这一现象又在太阳活动的作用下逐渐演变为一种类似于厄尔尼诺的现象，缓慢移动的洋流带来温暖的海水，取代了东太平洋热带海域温度较低的海水。

总的说来，太阳对地球的影响主要体现在四个方面：1.扰动地球上空电离层，影响无线电短波通信；2.扰动地球磁场，产生“磁暴”现象；3.作用于两极高空大气，产生极光；4.影响地球自然环境，产生自然灾害。

太阳射电爆发

是太阳上发生的一种急剧突变的无线电辐射过程。太阳射电包括宁静射电、缓变射电和射电爆发现象。其中，射电爆发最能引起人们的注意。因为这种辐射现象发生得往往十分突然，变化也很剧烈，速度快，辐射强度大，其强度要比宁静射电大一千万倍。太阳射电爆发常同太阳活动区的耀斑、X射线爆发，质子爆发或宇宙射线爆发等现象共同发生。当这些增强的辐射抵达地球时，就会产生一系列严重的地球物理效应，诸如极光、磁爆、电讯干扰，等等。因此，对射电爆发的进一步研究，将有利于了解太阳活动区物理、地球物理、日地关系和天体不稳定变化过程。

应用

从太阳活动对地球的影响可以看出，对太阳活动的预报有很大的必要。现在包括中国在内的许多国家，都已开展这方面的工作。通过预报可使有关部门，如：通信部门、航天部门等，及时采取措施减少太阳活动对这些部门工作的影响，也为准确地进行天气、气候、水文、地震等预报提供资料。

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