4．太阳黑子和耀斑

前面我们提到，太阳能量至少可以再维持上百亿年，虽然太阳是一颗十分稳定的恒星。但是在它的能量从核心向外辐射的一些物理过程中仍然会发生各种各样的复杂变化。这种复杂的变化在太阳光球、色球和日冕的某些区域会表现出来，我们把它们叫做活动区，这些活动区的一些现象，就叫做太阳活动；其他相对平静的区域，叫做静宁的太阳。所谓太阳活动，就是指太阳表面的某些局部的太阳现象，如黑子、耀斑、日珥、米粒组织和超米粒等活动现象。以下我们只对那些影响地球的太阳活动作简要的介绍。

在各种太阳活动中，太阳黑子是最基本的。最早的太阳黑子记录的是在我国。如《汉书·五行志》记载：“日出黄，有黑气大如钱，居日中央”。这是汉成帝河平元年三月乙未（公元前28年）的一次黑子记录。也是世界上公认最早的太阳黑子纪录。我国历史文献《周易》中记有“日中见斗”，《淮南子·精神训》记有“日中有蹲鸟”。从这些记载，我国古代观察到的太阳黑子形状如“斗”、如“钱”、如“乌鸦”。但在汉代以前的黑子记录，没有确切的日期。

现代人用望远镜观测到太阳黑子的形状，一般呈椭圆形或圆形，比较大的黑子中间部分略比周围凹陷，形如碟状。黑子中间部分比较暗黑，叫黑子的本影，周围稍淡一些的部分叫“半影”（如图3-4）。黑子并不黑，只是它比光球的温度低，约4500K，在明亮的光球背景上，才显得较黑。

图3-4　太阳黑子与光斑

1774年英国天文学家威尔逊开始对黑子作系统观测与研究，自此才有了连续的观测记录。1826年，法国业余天文爱好者施正布，坚持业余观测达43年之久，发现了黑子由多转少，再由少转多的周期性，他于1843年提出黑子数目存在平均11年的变化周期，到1851年得到证实。后来人们把这平均11年的黑子变化周期叫做太阳活动基本周。

1846年，法国天文学家让桑，最先把照相技术用来拍摄太阳黑子，1855年拍到了第一张高质量的太阳黑子照片，不仅看到了黑子的半影纤维结构，而且还拍到了光球上的米粒。1908年，美国天文学家海耳，发现了黑子有很强的磁场，1912—1918年，他又发现了太阳也存在普通磁场，1953年，美国天文学家巴布科克研制出太阳磁像仪，为精确测定太阳磁场提供了可能。此后，各种类型的磁像仪的研制相继问世并投入使用，我国北京天文台也研制出较先进的磁像仪。由于观测仪器的改进，使得后来又发现了太阳局部磁场、磁场变化和磁结点等。

与太阳黑子密切相关的是太阳耀斑。在太阳黑子周围，往往有一大片明亮的区域，叫做光斑（见图3-4），或者叫光球光斑。实际上，光斑与黑子不是连在一起的，只是光斑在黑子的上面，或者说光斑是在光球的最上面。

用特殊的望远镜（色球望远镜或者是单色分光仪），可以在太阳单色像上看到光斑，叫色球光斑。这两种光斑实际上是一个整体，色球光斑在色球层，光球光斑在光球层，好比一个是头，一个是脚，一个在上，一个在下。在上面的色球光斑又叫耀斑（见图3-4），它是太阳上最强烈的爆发现象。一般地，在耀斑的下面有黑子，只有极少数出现在大于太阳纬度70°的高纬区，纬度70°以上，没有黑子，高纬度区的黑子寿命也比较短，平均只有半小时左右。

由于耀斑出现在色球层，除特殊的仪器外，要看到耀斑是极为困难的，在白光照片上能看到的耀斑，叫白光耀斑。第一次观测到白光耀斑是在1859年9月1日。1981年9月5日紫金山天文台拍到一个白光耀斑。一般认为白光耀斑是最大最亮的耀斑，因而，它的辐射能量也是很大的。1989年3月6日～9日期间，大耀斑频频出现，在3月13日，云南天文台观测到了近30年来从未见到的一群大黑子，它的面积为3589个单位（1单位相当于太阳圆面的百万分之一）。这么大的太阳黑子群，相当于1250个地球圆面的面积。

近十几年来对耀斑的研究表明，色球耀斑只是耀斑过程的次级效应，耀斑实际上是从日冕中开始爆发出来的。一开始是软X射线爆发，日冕的温度在几分钟内可以达到10⁷K以上，然后很快下降。能量传到下面的色球层，使色球层的等离子体加热。耀斑所释放的能量在10～20分钟内可以达到3×10³²～3×10³³尔格，相当于地球上10万～100万次强火山爆发，并且伴有X射线辐射、高能质子流和宇宙射线。

人们感到奇怪的是，为什么一次耀斑爆发会释放出这么大的能量？这么大的能量来自何处？为何如此迅速？耀斑爆发的物理机制是什么？这些都是当代太阳物理研究中的主要课题。天文学家们已提出了许多模型，比较成功的是美国天文学家斯塔拉克提出的“磁力线再联结”模型。

前面已提到太阳存在普遍磁场和局部磁场。磁场是以磁力线来描述的。一根磁条有两磁极，一端是N极（北极），另一端是S极（南极）。太阳磁场是偶极子场，就像一根磁条的磁场那样，磁场的方向，就是磁力线的方向，从N极出来，指向S极。耀斑有很强的磁场，来自太阳局部磁场。一个体积约为10²⁹立方厘米的区域内磁场强度可达到100高斯，其一旦瓦解，足以提供一个大耀斑的爆发所需要的能量。

斯塔拉克的耀斑爆发“磁力线再联结”模型指出：太阳的大气中所谓的“中性点”（磁场强度为零的地方）附近，同样受到来自两侧磁场的压力，磁场很不稳定，有封闭磁场，也有开放磁场。磁力线在这个区域可以再联结（磁力线缠绕），在联结的过程中，释放出巨大的能量，并分别形成沿弧形轨道向上和向下运动的高能粒子流。图3-5是不稳定磁场和磁力线再联结产生耀斑的示意图。

图3-5　太阳表面的磁力线结构

空间观测表明，耀斑爆发来自日冕中的微小核心，由于它发射高能粒子流，沿着环形轨道向下，经过色球冲击光球。这一过程产生的是可见光耀斑（即白光耀斑）。虽然观测有力地支持斯塔拉克的理论，但仍有许多的问题需要再作更深入的研究，有人说当代的太阳物理学中的问题，已发现的问题比已解决的问题要多得多。

太阳活动还有其他许多现象，如日珥、暗条（日珥在光球上的投影）和光斑等，在此都未作详细介绍。总的说来，太阳活动对地球的影响，以黑子和耀斑为主。太阳活动的各种现象是共生的，它们都受太阳局部磁场的支配。

从太阳活动的全过程来看，局部磁场出现后，接着登台表演的是光斑，在光斑区域可能出现小的黑子，在日冕中会发现日冕绿色光谱线增强，它是铁元素的13次电离的离子谱线，波长为5303埃。一天以后，第一个黑子出现在光斑区域；在色球上出现小的暗条，开始有活动日珥出现。2～5天后就会发现有耀斑活动，磁场的范围很快扩大，在光斑区域明显地看到出现双极黑子群，在光斑的西边是先行黑子，在东边的是后随黑子，它们的极性相反，即一个是N极，一个是S极，并且在这两个黑子之间有小黑子逐渐出现。同时，在先行和后随黑子之间出现耀斑，相继出现日珥。大约11天以后，光斑增大、变亮，范围达15万千米左右。这时的黑子群发育到最大，耀斑的数目也达到极大，磁场强度分布很不规则，当太阳自转一周后，光斑再变大，这群黑子中除先行黑子外，其余黑子都将消失。5303埃谱线达到最大亮度，耀斑减少，磁场强度也达到最大。大约在太阳再转一周后，光斑变暗，这群黑子全部消失（其他活动区仍有黑子存在），5303埃谱线强度减弱，暗条长达10万千米。第三个自转周，光斑减弱，但大小没有什么变化，这时光斑中尽管看不见黑子，暗条却继续伸长，说明日珥继续在增大，但磁场减弱；到第四个太阳自转周后，光斑消失，这一活动区，除暗条的长度达到极大，几乎与太阳赤道平行以外，耀斑也消失不存在了。到第五个太阳自转周。这一活动区，除磁场增大到日面的5%外，其他的活动现象基本上都消失了，直到第10个太阳自转周，磁场区域增大到日面的20%，偶极磁场变为单极场，即局部磁场消失。说明这一活动区已经消失了。某一活动区的出现或消失，是以局部磁场起主导作用的；局部磁场先于太阳活动现象而存在，又后于活动现象而消失。磁力线像无数条无形的绳索，把太阳的大气层——光球、色球和日冕依次连贯起来，从而使得太阳内部的物理过程在太阳表面充分地表现出形形色色的各种复杂的现象。