太阳周期

太阳周期也称为太阳磁活动周期、太阳黑子周期或施瓦贝周期，是太阳活动周期性11年的变化，以观察到的太阳表面的太阳黑子数量变化来衡量。在一个太阳周期的期间内，太阳辐射的水平与太阳物质的抛射、太阳黑子、太阳闪焰和冕环的数量与大小，都会从活动最小期同步波动到活动最大期，再回到活动最小期。

太阳的磁场在每个太阳周期中都会翻转，翻转发生在太阳周期接近极大期时。经过两个太阳周期后，太阳的磁场会回复到原先的状态，完成所谓的海耳周期。

这个周期数百年来一直透过太阳外观的变化，以及地球现象，如极光的观察，但直到1843年才被明确识别。太阳活动由太阳周期与瞬态非周期过程驱动，透过创造太空天气、影响太空与地面技术，以及地球大气层，甚至可能影响数百年甚至更长时间的气候波动，来支配行星际空间的环境。

理解与预测太阳周期仍是天体物理学中的重大挑战之一，对太空科学及宇宙其它地区的磁流体力学现象有重大影响。

由于近期太阳变化的量度远小于温室气体造成的影响，目前的关于气候变化的科学共识认为太阳变化在推动全球气候变迁中仅扮演边缘角色。

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## 定义

太阳周期的平均持续时间约为11年。太阳极大和太阳极小指的是太阳黑子数量最多与最少的时期。周期从一个最小值跨越到另一个最小值。

## 观测历史

塞缪尔·海因里希·史瓦贝（1789–1875），德国天文学家，透过对太阳黑子的长时间观测发现了太阳周期。

周期性太阳周期的概念最早由克里斯蒂安·霍雷博（Christian Horrebow）提出，基于他于1761年至1776年间在丹麦哥本哈根的伦德塔恩天文台定期观测太阳黑子。1775年，霍雷博指出“似乎经过一定年限后，太阳的外观会随着黑点的数量和大小而重复出现”。

1843年，太阳周期被明确界定，当时塞缪尔·海因里希·史瓦贝注意到17年太阳观测后，太阳黑子数的周期性变化。史瓦贝持续观察太阳黑子长达23年，直到1867年。1852年，鲁道夫·沃夫根据史瓦贝及其它观察，将第一个太阳周期定为1755年2月开始。沃夫还创建了标准的太阳黑子数相对数——沃夫数，该相对数至今仍在使用。

1645年至1715年间，观测和记录的太阳黑子非常少。此区间最早由古斯塔夫·史波勒发现，后来以夫妻团队安妮·罗素·蒙德与爱德华·沃尔特·蒙德为单位，他们深入研究了这一特殊区间，并被命名为蒙德极小期。

十九世纪下半叶，理查·卡灵顿与史波勒分别记录了太阳黑子在周期不同阶段出现在不同纬度的现象（参见史波勒定律）。阿尔弗雷德·哈里逊·乔伊后来描述了太阳黑子“倾斜”的大小——先导点比后随方更接近赤道——随着这些区域纬度的增加而增加（参见乔伊定律）。

这一周期的物理基础由乔治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale）及其合作者阐明，他们于1908年证明太阳黑子被强烈磁化，这是首次侦测到地球外的磁场。1919年，他们辨识出若干模式，这些模式后来统称为海耳定律：

- 在同一太阳半球中，双极区域通常具有相同的前导极性。
- 在相反的半球（即太阳赤道的另一侧），这些区域往往具有相反的前导极性。
- 两半球的前导极性会在不同太阳黑子周期之间切换。

海耳的观测显示，完整的磁周期——后来被称为海耳周期——跨越两个太阳周期，约为22年，然后才恢复到原先的状态，包括极性。由于几乎所有现象对极性不敏感，11年太阳周期仍是研究的焦点。海耳周期的两个半周期通常并不相同：11年周期通常在沃夫太阳黑子数的高低总和之间交替出现（格内维舍夫-奥尔规则）。

1961年，巴布科克父子哈罗德·D·巴布科克和霍勒斯·W·巴布科克确立太阳周期是一个时空磁场过程，持续在整个太阳上展开。他们观察到太阳表面在太阳黑子外被磁化，这种较弱的磁场是一阶偶极子，且该偶极子在与太阳黑子周期相同周期内发生极性反转。霍勒斯的巴布科模型描述太阳的振荡磁场具有22年准稳定周期性。它涵盖了太阳磁场组件的环向与极向间能量的振荡交换。

## 周期历史

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过去11,400年的太阳黑子数量及年份已利用碳-14与铍-10同位素比值重建。自1940年代开始的太阳活动水准极为罕见——最后一次类似规模的时期约发生在9,000年前左右（在温暖的北部周期）。

太阳在过去11,400年中仅有约10%的时间处于类似的高磁活动水平好几年。几乎所有早期的高活动期都比现在这个时期短。化石纪录显示，太阳周期至少在过去7亿年一直保持稳定。例如，在早二叠世估计为10.62年，同理，在新元古代。

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事件｜开始｜结束

荷马极小期｜750 BC｜550 BC

欧特极小期｜AD 1040｜AD 1080

中世纪极大期｜1100｜1250

沃夫极小期｜1280｜1350

史波勒极小期｜1450｜1550

蒙德极小期｜1645｜1715

道尔顿极小期｜1790｜1820

现代极大期｜1933｜2008

直到2009年，人们一直认为1699年至2008年间，涵盖309年间有28个太阳周期，平均长度为11.04年；但后来的研究显示，其中最长的周期（1784-1799年）实际上可能是两个周期。如果是这样，周期的平均长度大约只有10.7年。自观测周期开始以来，观测到的曾有短至9年及最长可达14年的，若1784–1799年周期为双倍，则两个组成周期中必须有一个长度小于8年，振幅也会有显著变化。

存在数份提出的历史太阳活动“大极小期”清单。

### 近期周期

#### 第25周期

第25太阳周期开始于2019年12月。关于第25太阳周期，已有多项预测，根据不同方法，从非常弱到强不等。一项基于物理的预测，依赖数据驱动的太阳发电机与太阳表面通量传输模型，似乎正确预测了太阳极地场在当前极小值的强度，并预测第25太阳周期虽弱但不显著，与第24太阳周期相似或略强。值得注意的是，他们排除了太阳在未来十年内陷入类似蒙德极小期（非活跃）状态的可能性。2019年初，第25太阳周期预测小组初步达成共识。

该小组由NOAA的太空天气预报中心（SWPC）和NASA组织，根据已发表的第25太阳周期预测，结论是第25太阳周期将与第24太阳周期非常相似。他们预期第25周期前的太阳周期最小值将长且深，就像第24周期之前的最低点一样。他们预计太阳极大期将在2023年至2026年间出现，依修订后的太阳黑子数计算，太阳黑子相对数范围为95至130。

#### 第24周期

第24太阳周期开始于2008年1月，直到2010年初，活动极为稀少。该周期具有“双峰”太阳极大值。第一个峰值是2011年的99，而第二个峰值是2014年的101。第24太阳周期结束于2019年12月，历时11.0年。

#### 第23周期

第23太阳周期从1996年5月开始，至2008年1月结束，持续了11.6年。周期中观测到的最大平滑太阳黑子数（平均十二个月的每月太阳黑子数）为120.8（2000年3月），最低为1.7。在周期中有805天没有黑子。

## 现象

由于太阳周期反映磁活动，各种由磁场驱动的太阳现象会遵循太阳周期，包括太阳黑子、光斑/谱斑、网络及日冕巨量喷发。

### 太阳黑子

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太阳的视表面——光球层，在太阳黑子数量增加时辐射更活跃。卫星监测太阳光度显示太阳周期与光度之间存在直接关系，峰值对峰值振幅约为0.1%。当大量太阳黑子在地球视野中旋转时，光度在10天的时间尺度内会下降多达0.3%，并因与大型太阳黑子群相关的太阳光斑（光斑），而在长达6个月内增加最多0.05%。

目前最好的资讯来自SOHO（欧洲太空总署与NASA合作的专案），例如MDI磁力图，在此可见太阳“表面”的磁场。

每个周期开始时，太阳黑子会出现在中纬度，然后逐渐靠近赤道，直到达到太阳极小期。这种模式能以所谓的“蝴蝶图”形式来很好的呈现。太阳影像被划分为纬度条状，并计算太阳黑子的每月平均分数表面。此图会以颜色编码的条状垂直绘制，并逐月重复此过程以产生此时间序列图。

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虽然磁场变化集中在太阳黑子处，但整个太阳都会经历类似的变化，只是其它地区强度较小。

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### 光斑和谱斑

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## 太阳周期的冲击

太阳的磁场结构一直延伸到大气层和外面的各层，还经由各种方法进入日冕和太阳风。它的时空变异导致许多相关的太阳活动和著名的太阳现象。所有的太阳活动都与太阳的磁场周期有强烈的相关性，因为后者是前者的动力引擎和能量来源。

### 表面磁性

太阳黑子可以在各处存在几天到几个月，但是它们终将溃散，并且和太阳光球的磁场结合在一起。这个磁场受到对流的搅动散溢开来，并且在太阳表面造成大规模的流动。这些传输机制导致被磁化的产物衰变并且堆积在高纬度，所以最后导致极性的反转（参见图3）

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太阳磁场的偶极性被观察到是在太阳极大期附近时反转的，并且在极小期时强度达到峰值。在另一方面，太阳黑子是由强烈的螺线管（纵向的）磁场在太阳内部产生。在物理学上，太阳周期可以被看成是一个再生圈，螺线管的分量导致一个顺轴磁场，然后又导致一个新的反向的顺轴磁场，如此不断的反复下去。

### 太阳辐照度

太阳的总辐照度（total solar irradiance，TSI）是冲击在地球大气层上部的总太阳辐射能量。它在太阳变化周期的各个不同阶段被观察，逐年的平均值从极小期的每平方米1365.5瓦至极大期的1366.6瓦，但在几天的时间间隔内的波动可以达到每平方米±1瓦的数值（参见第4图的黄色和红色曲线）。最大值和最小值的差异只有0.1%的水准，对地球气候的影响看似很小，但要注意的是对TSI的连续和可靠的的量是从1978年才开始的。太阳活动的极小值和极大值在第21至23周期大致上是保持同样的水准。

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有趣的是，即使黑子比光球的其余部分黑暗，但太阳在极大期时是比较亮一些的。这是因为在极大期时，虽然有较多和较大的黑子被磁化和出现在光球上，但是大多数，像是白斑和活跃的网络元素，也都比平常的光球表面明亮。它们的总量比为数不多的黑子为多，总结之后反而使得整体的照射度增加而非降低。最近的观察指出太阳照射度变化的主要驱动者是这些覆盖在光球面上不同类型的太阳磁性结构变化，然而，这些都是由深入太阳内部的物理过程在长期变化所贡献的，像是循环媒介在对流能量传输的效率的小变化，至今仍未能找出完整的规律。

### 短波辐射

对温度为5870K的太阳大气，没有磁场的地区散发出的短波辐射，像是极紫外线（EUV）和X射线，数量极少。但在磁场出现的地区就不同了，被磁化的地区散发出短波辐射。因为表面被磁化的覆盖区域在周期内有明显的变化，扩散的程度、非闪耀的太阳紫外线或极紫外线，也有如潮汐般的随之涨落。图5是日本的阳光号卫星观察软X射线的图，正好说明了这种变化。SOHO和TRACE卫星观测太阳的紫外线和极紫外线也都有相同的现象。

图5：阳光号在1991年至1995年（由左至右）以软X射线观察的太阳盘面影像，对应于第22周期的下降阶段。

即使只占了太阳辐照度中极小的比率，太阳的紫外线、极紫外线和X射线对地球大气层上层的冲击仍然是很深刻的。太阳的紫外线流量是同温层化学主要的驱动者，电离层的反应，经由电导率和热的变化，导致电离辐射强烈的增加。

### 太阳辐射流量

来自太阳的无线电波主要出自日冕活跃区上面被磁场拘束住的电浆。被标示为F10.7的是波长10.7公分的无线电波，接近被观察的太阳无线电波的峰值位置。它表现出的扩散尺度，来自在日冕活跃区被磁场拘束的电浆的非辐射热，并且良好的表现出太阳活动的程度。太阳的F10.7公分纪录可以回溯至1947年，并且是除了太阳黑子纪录之外，可供利用的太阳活动的最长期纪录。

10.7光分波长的太阳电波流量曾经被认为会影响地球上点对点之间的通讯。

### 地质效应的喷发现象

太阳磁场构成的日冕，是在日全食的期间可以观测到的典型现象。复杂的日冕磁场结构发展可以反映出在太阳表面流体的运动，和太阳内部发电机磁流体的发展。由于一些迄今尚未能详细了解的原因，有时这些结构会变得不稳定，导致日冕物质抛射，或是闪焰，进入太空之中，由于区域性突然的释放出磁能，造成大量的紫外线、X射线和高能粒子辐射。这些爆发现象可能会对地球的高层大气层和太空环境产生重大的冲击，并且是所谓太空天气的主导者。

日冕物质抛射和闪焰的活动频率与太阳活动周期有着密切的关连性。在极大期时，闪焰的大小和活动频率是极小期的50倍；巨大的日冕物质抛射平均每天都有数5次，在极小期则数天才有一次。事件本身的大小与周期性的关联则不明显，最明显的例子是发生在2006年12月，接近极小期的三次X级闪焰，其中一次（在12月5日，X9.0级的闪焰）是有记录以来最大的。

### 宇宙射线流量

向外扩散由高密度电浆组成的太阳喷发物是驱散来自银河系各处的星际物质和高能宇宙射线进入太阳系的良好物质。由于太阳物质抛射的频率随着太阳活动的周期调整，在太阳系外缘的宇宙射线散射程度也随着逐步变化。结果是，宇宙射线在太阳系内部的流量与太阳的活动的整体强度成反比。这种反比的关系也清楚的呈现在地球表面的宇宙射线流量强度变化上。

有些进入地球大气的高能宇宙射线能偶尔会与分子撞击产生原子核的散裂，这某些分裂的产物包括某些放射性核素，例如14C和10Be，会沉降至地面。它们被凝聚在冰核中，可以让我门重建在遥远过去的太阳活动。经过重建后的整个太阳活动水准，呈现出在20是纪中期的太阳活动，几乎位在过去一万年的最高点上，蒙德极小期像是被压抑的活动时期，在长时间的变化中一再的出现。

### 生物圈和人类生理节奏循环的冲击

太阳周期对生物的冲击包括一部分在科学上跨学门的研究，像是年代学、太阳生物学和天文生物学。在1924年，莫斯科大学医学院的毕业生亚历山大·奇热夫斯基出版了跨学门的工作："在历史过程之后的物理因素"和"流行病学浩劫和太阳的周期性活动，研究有机生物与太阳周期、月相周期循环之间的关连性。奇热夫斯基发展出了一种新的学门：天文生物学和分支的太阳生物学。

## 外部链接

- Great Moments in the History of Solar Physics
- Solar Physics Web Pages at NASA's Marshall Space Flight Center（更新至2016年10月），图表后续更新由 David Hathaway接手制作。
- Yohkoh Public Outreach Project
- HAO Educational pages
- Stanford Solar Center
- Cosmos
- Windows to the Universe: The Sun
- SOHO Web Site
- TRACE Web Site
- Solar Influences Data Analysis Center