太陽磁場

【英譯】solar magnetic field

太陽的絕大部分物質是高溫等離子體，太陽的物態、運動和演變都與磁場密切相關。太陽黑子、耀斑、日珥等活動現象，更是直接受磁場支配。因此，太陽磁場的研究具有重要意義。

定義

分佈於太陽和行星際空間的磁場。分大尺度結構和小尺度結構。前者主要指太陽普遍磁場和整體磁場，它們是單極性的，後者則主要集中在太陽活動區附近，且絕大多數是雙極磁場。

在太陽風作用下，太陽磁場還瀰漫整個行星際空間，形成行星際磁場。它的極性與太陽整體磁場一致，隨著離開太陽的距離增加而減弱。各種太陽活動現象都與磁場密切相關：耀斑產生前後，附近活動區磁場有劇烈變化（如磁場湮滅）；黑子的磁場最強，小黑子約0.1特斯拉，大黑子可達0.3～0.4特斯拉甚至更高。譜斑的磁場約0.02特斯拉。日珥的形成和演化也受磁場的支配。

太陽的磁場來源是一個尚未解決的難題。現有學說可分為兩類：第一是認為現有的磁性是幾十億年前形成太陽的物質遺留下來的。理論計算表明，太陽普遍磁場的自然衰減期長達100億年，因此，磁性長期留存是可能的。

（太陽平均磁流發電機機制），認為太陽的磁場是帶電物質的運動使微弱的中子磁場得到放大的結果。既然太陽的物質絕大部分是等離子體，並且經常處於運動狀態，那就可以利用發電機效應來說明關於太陽磁場起源中的若干問題。

太陽磁場理論的一個重要課題是太陽活動周的形成機制。現得到公認的是較差自轉理論。它認為太陽的較差自轉（太陽自轉）使光球下面的水平磁力線管纏繞起來，到一定時候，上浮到日面，形成雙極黑子。由於大量的雙極黑子磁場的膨脹和擴散，原來的普遍磁場被中和掉了，接著就會出現極性相反的普遍磁場。這樣就可以解釋太陽的22年磁周。

1908年，美國天文學家海耳等在威爾遜山天文台(現稱海耳天文台)，利用光譜線的塞曼效應測量太陽黑子的磁場這項工作後來在波茨坦天文台(1942年)、克里米亞天體物理台（1955年）等處也相繼開展起來。

1912年，海耳等開始測量太陽的普遍磁場，但得到的結果有較大誤差

1953年，H.D.巴布科克研製了太陽光電磁像儀，用以觀測太陽表面的微弱磁場在以後二十多年，各種不同類型的磁像儀先後研製成功，因而發現了日面局部磁場、太陽整體磁場和磁結點等。在實測工作取得巨大進展的同時，理論研究也蓬勃開展起來例如黑子磁場結構、太陽活動周的起源、耀斑爆發機制以及磁場內譜線形成理論等研究都有了重要的進展，

測量天體磁場主要利用譜線的塞曼效應，也就是利用磁場內輻射的兩種性質：①譜線的塞曼分裂或致寬；②塞曼支線的偏振。一般使用呈現正常塞曼效應的磁敏感譜線；例如 FeIλ6303。譜線在磁場內的分裂量ΔλH與磁場強度H成正比，相應的關係式為ΔλH=4.67×10 gλ H,式中g為譜線的朗德劈裂因子。對FeIλ6303來說，g=2.5。

黑子是日面上磁場最強的區域，強度可達三、四千高斯。這時 FeIλ6303的ΔλH約為10 埃。大型太陽攝譜儀可以準確測定這個數值。具體作法是在攝譜儀狹縫前安放1/4波晶片（使圓偏振光變為平面偏振光）和偏光膜網（讓不同偏振方向的光依次通過），底片上就能得到犬牙交錯的譜線。這使我們容易直接測出ΔλH,代入上式便可算出磁場強度H。但是對於黑子以外的區域，磁場弱，ΔλH小，很難精確測定。這時需要使用磁像儀，按某種方式進行調製，交替地得到兩條塞曼支線，於是穿過對準線翼的出射狹縫的輻射流量就會不斷變化。根據這個變化的幅度可以測定H值。

一般說來，一個黑子群中有兩個主要黑子，它們的磁極性相反。如果前導黑子是N極的，則后隨黑子就是S極的在同一半球(例如北半球)，各黑子群的磁極性分佈狀況是相同的；而在另一半球（南半球）情況則與此相反在一個太陽活動周期（約11年）結束、另一個周期開始時，上述磁極性分佈便全部顛倒過來。因此，每隔22年黑子磁場的極性分佈經歷一個循環，稱為一個磁周。強磁場是太陽黑子最基本的特徵。黑子的低溫、物質運動和結構模型都與磁場息息相關，

耀斑是最強烈的太陽活動現象。一次大耀斑爆發可以釋放10 ～10 爾格的能量，這個能量可能來自磁場。在活動區內一個強度為幾百高斯的磁場一旦湮沒，它所蘊藏的磁能便全部釋放出來，足夠供給一次大耀斑爆發在耀斑爆發前後，附近活動區的磁場往往有劇烈的變化。本來是結構複雜的磁場，在耀斑發生后就變得比較簡單了。這就是耀斑爆發的磁場湮沒理論的證據。

日珥的溫度約為一萬度，它卻能長期存在於溫度高達一、兩百萬度的日冕中，既不迅速瓦解，也不下墜到太陽表面，這主要是靠磁力線的隔熱和支撐作用。寧靜日珥的磁場強度約為10高斯，磁力線基本上與太陽表面平行；活動日珥的磁場強一些，可達200高斯，磁場結構較為複雜。

除太陽活動區外，日面寧靜區也有微弱的磁場。整個說來，太陽和地球相似，也有一個普遍磁場。不過由於局部活動區磁場的干擾，太陽普遍磁場只是在兩極區域比較顯著，而不象地球磁場那樣完整。太陽極區的磁場強度只有1～2高斯。太陽普遍磁場的強度經常變化，甚至極性會突然轉換。這種情況在1957～1958年和1971～1972年曾兩次觀測到，

如果把太陽當作一顆恆星，讓不成像的太陽光束射進磁像儀，就可測出日面各處混合而成的整體磁場。這種磁場的強度呈現出有規則的變化，極性由正變負，又由負變正。大致來說，在每個太陽自轉周（約27天）內變化兩次對這個現象很容易作這樣的解釋：日面上有東西對峙的極性相反的大片磁區，隨著太陽由東向西自轉，科學家們就可以交替地觀察到正和負的整體磁場。總之，太陽上既有普遍磁場，又有整體磁場。前者是南北相反的，後者是東西對峙的，

21世紀以來通過高解析度的觀測表明，太陽磁場有很複雜的精細結構。就活動區來說，在同一個黑子範圍內各處磁場強度往往相差懸殊；並且在一個就整體說來是某一極性（例如N極）的黑子里，常含有另一極性(S極)的小磁結點因此，嚴格說來，單極黑子並不存在。在橫向磁場圖上，不僅各處強度不同，方位角也不一樣。在黑子半影中，較亮條紋與它們之間的較暗區域的磁場也有明顯的差異。在活動區中，磁結點的直徑約為1,000公里，磁場強度為1,000～2,000高斯。黑子磁場的自然衰減時間是很長的，

在日面寧靜區，過去認為只有微弱的磁場，其強度約為1～10高斯。可是新的觀測表明，寧靜區的磁場的強度同樣是很不均勻的，也含有許多磁結點。它們在日面上所佔面積很小，卻含有日面寧靜區絕大部分的磁通量。具體說來，寧靜區磁結點的範圍還不到200公里，而它們含的磁通量竟占整個寧靜區的90%左右。由於磁通量集中，磁結點的磁場強度可達上千高斯，遠遠超過寧靜區大範圍的平均磁場強度。

在磁場“凍結”的情況下，太陽風的粒子帶著磁力線跑，於是太陽磁場便瀰漫於整個太陽系空間。因為太陽在自轉太陽風所攜帶的磁力線就不是直線，而是螺旋線。此外，日面上有整體磁場，相鄰磁區的極性是相反的。這些因素同時起作用，形成行星際磁場的扇形結構。它和太陽整體磁場密切相關，它們的極性幾乎完全一致。太陽整體磁場的極性一旦轉換，行星際磁場的極性立即跟著轉換，

隨著太陽磁場向外擴張，它的強度也就越來越弱。在地球外圍空間，磁場強度還不到萬分之一高斯。然而由於行星際空間的氣體極為稀薄，這樣弱的磁場也能對物質運動產生支配作用。在太陽風的作用下，地磁場被壓縮在地球磁層的範圍內，不能向外延伸。

截止21世紀對太陽磁場測量只限於太陽大氣。至於太陽內部磁場，還不能直接測量，只能用理論方法作粗略的估計有人認為它可能比大氣的磁場強得多，

太陽磁場睡眠狀態是科學家最新研究揭示出太陽活動周期延長，太陽黑子、耀斑和太陽風暴等現象逐漸減少的真實原因。據美國《連線》雜誌報道，日前，科學家最新研究顯示，太陽表面磁場氣體的流動將解釋為什麼太陽處於“睡眠”之中。

從2008年至2009年上半年，令科學家迷惑不解的是太陽黑子、耀斑和太陽風暴現象非常稀少，並且11年太陽活動周期末期延長了15個月。太陽與太陽風層探測器(SOHO)的最新觀測顯示能夠更好地預測未來太陽周期的強度和持續時間。

更好地預測太陽活動性至關重要，這是由於太陽活動爆發能夠向地球釋放大量帶電粒子磁化物質，能夠摧毀地面供電網路和損害通信衛星。刊登在3月12日《科學》雜誌上的一篇最新研究報告指出，美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的大衛－哈撒韋(David Hathaway)和孟斐斯大學的利薩－賴特邁爾(Lisa Rightmire)分析了太陽與太陽風層探測器13年來跟蹤太陽赤道至極地的電離氣體變化狀況，研究人員發現一種叫做經向氣流(meridional flow)的電離氣體在2008年開始太陽活動最低值之前持續加劇活動許多年。研究證明在11年之前，之前太陽活動性逐漸減弱，同時伴隨著經向氣流的活動性逐漸加劇。美國海軍研究實驗室尼爾－希勒(Neil Sheeley)稱，很可能當前延遲活動周期2009-2010年是由2007-2009年相對虛弱的磁場導致的哈賴韋強調指出，太陽極地磁場強度對於下一個太陽活動周期至關重要，

哈賴韋和賴特邁爾認為，更快的經向氣流導致太陽極地產生更微弱的磁場，從而伸展太陽遲鈍活動周期。

哈賴韋稱，經向氣流影響磁場變化可顯著地抑制太陽表面磁性物質循環，更快的經向氣流將導致太陽極地磁場無法變得強烈，

據天文台測量表明，跨越整個太陽系的太陽磁場區，這幾個月來正在發生著翻轉

“縱觀整個太陽系，這一變化會產生連鎖反應。”一位太陽物理學家說道

隨著內部發電機進行自身改組，在每11年的太陽周期的高峰期，太陽磁場區大概就會產生兩極對立。下一次倒轉將標誌著第24太陽周期的正中央，這也僅是自1976年首次開始追蹤后的第四次被發現。

“在磁場區顛倒期間，太陽兩極的磁場區將會消失，磁力減為零，並且再次與對立極性相融合”一位太陽物理學家解釋道，

科學家們現在已經觀察到倒轉開始發生的一些標誌了：太陽北極已經開始轉變，南極正加快速度追趕，這意味著至少到現在為止，太陽有效地擁有了兩個南極。之後不到四個月的時間，太陽磁場區將會發生徹底改變

磁場區倒轉意味著什麼？

因為太陽磁場影響（我們稱之為太陽圈，一直可延伸到冥王星）的統治地位，所以太陽磁場區的倒轉將會對整個太陽系產生一系列後果。在顛倒的太陽磁場區中，扮演著中心角色的是“電流薄板”---太陽赤道伸出的一個不規則的表面，太陽緩慢輻狀的磁場區在此引起電流。

這種電流自身很小，但是數量很多，整個太陽圈都被它包圍著。在磁場倒退期間，電流薄板變得波動起伏科學家將這種波動比作棒球上的縫合痕迹。

電流薄板的作用是阻擋宇宙射線，防止它們穿透太陽系的內部。一個波動的起皺的電流薄板似乎能夠創造一個更好的盾牌來阻擋這些能量粒子。

地球磁場正反顛倒的時代到來

太陽並不是太陽系唯一會發生磁場顛倒的奇葩地球同樣也會，並且在過去的十億年裡已經發生了好多次

這並不令人驚訝，科學家說到，因為無論是太陽還是地球，它們的磁場區都被認為是由涉及旋轉和對流導熱液體的發電機產生的。然而，它們的差異在於地球磁場顛倒的頻率遠小於太陽，平均20萬年至30萬年才發生一次科學家們預測，在未來的1000年裡，地球磁場可能會在某一天發生倒轉，

天氣將不再那麼炎熱，很有可能重現300年前地球寒冷期的天氣情況

當太陽出現這兩種情況后，地球氣溫是否會出現明顯下降。如果下降之後，我們所擔憂的地球溫暖化是否會由此而減緩。更重要的是迄今為止一致認為地球溫暖化並不是因為溫室排放氣體所引起的科學家對這一問題更為關注，

位於太陽表面之下的磁場將更深地影響太陽黑子磁場的形成，太陽黑子磁場活動加劇是暗示新一個太陽活動周期開始的信號。微弱的極地磁場將需要更多的時間到達產生太陽黑子的強度，從而延緩了太陽活動周期此外更微弱的極地磁場在隨後的太陽周期中將產生更少的活動性，

哈賴韋說：“經向氣流對於下一個周期的極地磁場具有重要作用，暗示著未來的觀測有助於我們預測未來的太陽活動周期。”

希勒稱，需要附加說明的是物理學家對於太陽活動周期和太陽表面之下磁場變換的理解並不完全。

美國宇航局戈達德太空飛行中心的納徹穆特霍克－高帕爾斯沃米(Natchimuthuk Gopalswamy)強調稱，這項引起科學家興趣的研究將有助於區別不同類型的太陽磁學。

N據新華社電

美國宇航局21日發布一批“太陽－B”觀測衛星拍下的高質量太陽圖片，並稱這些“前所未見”的太陽觀測圖像顯示太陽磁場比人類此前知道的要狂暴得多、動態得多。

美宇航局科學項目董事會太陽物理學分部主任迪克·費希爾說，這些高質量的太陽觀測圖片，將從一定程度上“改寫教科書”，開闢一個太陽活動研究的“新時代”，進一步幫助人類理解太陽活動是如何影響地球、空間軌道衛星以及整個太陽系的。

圖為美國宇航局2007年3月21日發布的由“太陽-B”觀測衛星拍攝的太陽圖片，顯示太陽黑子垂直上方磁場向外擴散的情形。

整個說來，太陽和地球相似，也有一個普遍磁場。不過由於局部活動區磁場的干擾，太陽普遍磁場只是在兩極區域比較顯著，而不象地球磁場那樣完整。太陽極區的磁場強度只有1～2高斯。太陽普遍磁場的強度經常變化，甚至極性會突然轉換。這種情況在1957～1958年和1971～1972年曾兩次觀測到。

太陽整體磁場

如果把太陽當作一顆恆星，讓不成像的太陽光束射進磁像儀，就可測出日面各處混合而成的整體磁場。這種磁場的強度呈現出有規則的變化，極性由正變負，又由負變正。大致來說，在每個太陽自轉周（約27天）內變化兩次。對這個現象很容易作這樣的解釋：日面上有東西對峙的極性相反的大片磁區，隨著太陽由東向西自轉，科學家們就可以交替地觀察到正和負的整體磁場。總之，太陽上既有普遍磁場，又有整體磁場。前者是南北相反的，後者是東西對峙的。

太陽普遍磁場來源是一個尚未解決的難題。現有學說可分為兩類：

第一是認為現有的磁性是幾十億年前形成太陽的物質遺留下來的。理論計算表明，太陽普遍磁場的自然衰減期長達100億年，因此，磁性長期留存是可能的。

第二是認為既然太陽的物質絕大部分是等離子體，並且經常處於運動狀態，那就可以利用發電機效應來說明關於太陽磁場起源中的若干問題。

太陽的絕大部分物質是高溫等離子體，太陽的物態、運動和演變都與磁場密切相關。太陽黑子、耀斑、日珥等活動現象，更是直接受磁場支配。因此，太陽磁場的研究具有重要意義。