太陽週期

太陽週期也稱為太陽磁活動週期、太陽黑子週期或施瓦貝週期，是太陽活動週期性11年的變化，以觀察到的太陽表面的太陽黑子數量變化來衡量。在一個太陽週期的期間內，太陽輻射的水平與太陽物質的拋射、太陽黑子、太陽閃焰和冕環的數量與大小，都會從活動最小期同步波動到活動最大期，再回到活動最小期。

太陽的磁場在每個太陽週期中都會翻轉，翻轉發生在太陽週期接近極大期時。經過兩個太陽週期後，太陽的磁場會回復到原先的狀態，完成所謂的海耳週期。

這個週期數百年來一直透過太陽外觀的變化，以及地球現象，如極光的觀察，但直到1843年才被明確識別。太陽活動由太陽週期與瞬態非週期過程驅動，透過創造太空天氣、影響太空與地面技術，以及地球大氣層，甚至可能影響數百年甚至更長時間的氣候波動，來支配行星際空間的環境。

理解與預測太陽週期仍是天體物理學中的重大挑戰之一，對太空科學及宇宙其它地區的磁流體力學現象有重大影響。

由於近期太陽變化的量度遠小於溫室氣體造成的影響，目前的關於氣候變化的科學共識認為太陽變化在推動全球氣候變遷中僅扮演邊緣角色。

## 定義

太陽週期的平均持續時間約為11年。太陽極大和太陽極小指的是太陽黑子數量最多與最少的時期。週期從一個最小值跨越到另一個最小值。

## 觀測歷史

塞繆爾·海因里希·史瓦貝（1789–1875），德國天文學家，透過對太陽黑子的長時間觀測發現了太陽週期。

週期性太陽週期的概念最早由克里斯蒂安·霍雷博（Christian Horrebow）提出，基於他於1761年至1776年間在丹麥哥本哈根的倫德塔恩天文台定期觀測太陽黑子。1775年，霍雷博指出「似乎經過一定年限後，太陽的外觀會隨著黑點的數量和大小而重複出現」。

1843年，太陽週期被明確界定，當時塞繆爾·海因里希·史瓦貝注意到17年太陽觀測後，太陽黑子數的週期性變化。史瓦貝持續觀察太陽黑子長達23年，直到1867年。1852年，魯道夫·沃夫根據史瓦貝及其它觀察，將第一個太陽週期定為1755年2月開始。沃夫還創建了標準的太陽黑子數相對數——沃夫數，該相對數至今仍在使用。

1645年至1715年間，觀測和記錄的太陽黑子非常少。此區間最早由古斯塔夫·史波勒發現，後來以夫妻團隊安妮·羅素·蒙德與愛德華·沃爾特·蒙德為單位，他們深入研究了這一特殊區間，並被命名為蒙德極小期。

十九世紀下半葉，理查·卡靈頓與史波勒分別記錄了太陽黑子在週期不同階段出現在不同緯度的現象（參見史波勒定律）。阿爾弗雷德·哈里遜·喬伊後來描述了太陽黑子「傾斜」的大小——先導點比後隨方更接近赤道——隨著這些區域緯度的增加而增加（參見喬伊定律）。

這一週期的物理基礎由喬治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale）及其合作者闡明，他們於1908年證明太陽黑子被強烈磁化，這是首次偵測到地球外的磁場。1919年，他們辨識出若干模式，這些模式後來統稱為海耳定律：

- 在同一太陽半球中，雙極區域通常具有相同的前導極性。
- 在相反的半球（即太陽赤道的另一側），這些區域往往具有相反的前導極性。
- 兩半球的前導極性會在不同太陽黑子週期之間切換。

海耳的觀測顯示，完整的磁週期——後來被稱為海耳週期——跨越兩個太陽週期，約為22年，然後才恢復到原先的狀態，包括極性。由於幾乎所有現象對極性不敏感，11年太陽週期仍是研究的焦點。海耳週期的兩個半週期通常並不相同：11年週期通常在沃夫太陽黑子數的高低總和之間交替出現（格內維舍夫-奧爾規則）。

1961年，巴布科克父子哈羅德·D·巴布科克和霍勒斯·W·巴布科克確立太陽週期是一個時空磁場過程，持續在整個太陽上展開。他們觀察到太陽表面在太陽黑子外被磁化，這種較弱的磁場是一階偶極子，且該偶極子在與太陽黑子週期相同週期內發生極性反轉。霍勒斯的巴布科模型描述太陽的振盪磁場具有22年準穩定週期性。它涵蓋了太陽磁場組件的環向與極向間能量的振盪交換。

## 週期歷史

過去11,400年的太陽黑子數量及年份已利用碳-14與鈹-10同位素比值重建。自1940年代開始的太陽活動水準極為罕見——最後一次類似規模的時期約發生在9,000年前左右（在溫暖的北部週期）。

太陽在過去11,400年中僅有約10%的時間處於類似的高磁活動水平好幾年。幾乎所有早期的高活動期都比現在這個時期短。化石紀錄顯示，太陽週期至少在過去7億年一直保持穩定。例如，在早二疊世估計為10.62年，同理，在新元古代。

事件｜開始｜結束

荷馬極小期｜750 BC｜550 BC

歐特極小期｜AD 1040｜AD 1080

中世紀極大期｜1100｜1250

沃夫極小期｜1280｜1350

史波勒極小期｜1450｜1550

蒙德極小期｜1645｜1715

道爾頓極小期｜1790｜1820

現代極大期｜1933｜2008

直到2009年，人們一直認為1699年至2008年間，涵蓋309年間有28個太陽週期，平均長度為11.04年；但後來的研究顯示，其中最長的週期（1784-1799年）實際上可能是兩個週期。如果是這樣，週期的平均長度大約只有10.7年。自觀測週期開始以來，觀測到的曾有短至9年及最長可達14年的，若1784–1799年週期為雙倍，則兩個組成週期中必須有一個長度小於8年，振幅也會有顯著變化。

存在數份提出的歷史太陽活動「大極小期」清單。

### 近期週期

#### 第25週期

第25太陽週期開始於2019年12月。關於第25太陽週期，已有多項預測，根據不同方法，從非常弱到強不等。一項基於物理的預測，依賴數據驅動的太陽發電機與太陽表面通量傳輸模型，似乎正確預測了太陽極地場在當前極小值的強度，並預測第25太陽週期雖弱但不顯著，與第24太陽週期相似或略強。值得注意的是，他們排除了太陽在未來十年內陷入類似蒙德極小期（非活躍）狀態的可能性。2019年初，第25太陽週期預測小組初步達成共識。

該小組由NOAA的太空天氣預報中心（SWPC）和NASA組織，根據已發表的第25太陽週期預測，結論是第25太陽週期將與第24太陽週期非常相似。他們預期第25週期前的太陽週期最小值將長且深，就像第24週期之前的最低點一樣。他們預計太陽極大期將在2023年至2026年間出現，依修訂後的太陽黑子數計算，太陽黑子相對數範圍為95至130。

#### 第24週期

第24太陽週期開始於2008年1月，直到2010年初，活動極為稀少。該週期具有「雙峰」太陽極大值。第一個峰值是2011年的99，而第二個峰值是2014年的101。第24太陽週期結束於2019年12月，歷時11.0年。

#### 第23週期

第23太陽週期從1996年5月開始，至2008年1月結束，持續了11.6年。週期中觀測到的最大平滑太陽黑子數（平均十二個月的每月太陽黑子數）為120.8（2000年3月），最低為1.7。在週期中有805天沒有黑子。

## 現象

由於太陽週期反映磁活動，各種由磁場驅動的太陽現象會遵循太陽週期，包括太陽黑子、光斑/譜斑、網路及日冕巨量噴發。

### 太陽黑子

太陽的視表面——光球層，在太陽黑子數量增加時輻射更活躍。衛星監測太陽光度顯示太陽週期與光度之間存在直接關係，峰值對峰值振幅約為0.1%。當大量太陽黑子在地球視野中旋轉時，光度在10天的時間尺度內會下降多達0.3%，並因與大型太陽黑子群相關的太陽光斑（光斑），而在長達6個月內增加最多0.05%。

目前最好的資訊來自SOHO（歐洲太空總署與NASA合作的專案），例如MDI磁力圖，在此可見太陽「表面」的磁場。

每個週期開始時，太陽黑子會出現在中緯度，然後逐漸靠近赤道，直到達到太陽極小期。這種模式能以所謂的「蝴蝶圖」形式來很好的呈現。太陽影像被劃分為緯度條狀，並計算太陽黑子的每月平均分數表面。此圖會以顏色編碼的條狀垂直繪製，並逐月重複此過程以產生此時間序列圖。

雖然磁場變化集中在太陽黑子處，但整個太陽都會經歷類似的變化，只是其它地區強度較小。

## 太陽週期的衝擊

太陽的磁場結構一直延伸到大氣層和外面的各層，還經由各種方法進入日冕和太陽風。它的時空變異導致許多相關的太陽活動和著名的太陽現象。所有的太陽活動都與太陽的磁場週期有強烈的相關性，因為後者是前者的動力引擎和能量來源。

### 表面磁性

太陽黑子可以在各處存在幾天到幾個月，但是它們終將潰散，並且和太陽光球的磁場結合在一起。這個磁場受到對流的攪動散溢開來，並且在太陽表面造成大規模的流動。這些傳輸機制導致被磁化的產物衰變並且堆積在高緯度，所以最後導致極性的反轉（參見圖3）

太陽磁場的偶極性被觀察到是在太陽極大期附近時反轉的，並且在極小期時強度達到峰值。在另一方面，太陽黑子是由強烈的螺線管（縱向的）磁場在太陽內部產生。在物理學上，太陽週期可以被看成是一個再生圈，螺線管的分量導致一個順軸磁場，然後又導致一個新的反向的順軸磁場，如此不斷的反覆下去。

### 太陽輻照度

太陽的總輻照度（total solar irradiance，TSI）是衝擊在地球大氣層上部的總太陽輻射能量。它在太陽變化週期的各個不同階段被觀察，逐年的平均值從極小期的每平方米1365.5瓦至極大期的1366.6瓦，但在幾天的時間間隔內的波動可以達到每平方米±1瓦的數值（參見第4圖的黃色和紅色曲線）。最大值和最小值的差異只有0.1%的水準，對地球氣候的影響看似很小，但要注意的是對TSI的連續和可靠的的量是從1978年才開始的。太陽活動的極小值和極大值在第21至23週期大致上是保持同樣的水準。

有趣的是，即使黑子比光球的其餘部分黑暗，但太陽在極大期時是比較亮一些的。這是因為在極大期時，雖然有較多和較大的黑子被磁化和出現在光球上，但是大多數，像是白斑和活躍的網路元素，也都比平常的光球表面明亮。它們的總量比為數不多的黑子為多，總結之後反而使得整體的照射度增加而非降低。最近的觀察指出太陽照射度變化的主要驅動者是這些覆蓋在光球面上不同類型的太陽磁性結構變化，然而，這些都是由深入太陽內部的物理過程在長期變化所貢獻的，像是循環媒介在對流能量傳輸的效率的小變化，至今仍未能找出完整的規律。

### 短波輻射

對溫度為5870K的太陽大氣，沒有磁場的地區散發出的短波輻射，像是極紫外線（EUV）和X射線，數量極少。但在磁場出現的地區就不同了，被磁化的地區散發出短波輻射。因為表面被磁化的覆蓋區域在週期內有明顯的變化，擴散的程度、非閃耀的太陽紫外線或極紫外線，也有如潮汐般的隨之漲落。圖5是日本的陽光號衛星觀察軟X射線的圖，正好說明了這種變化。SOHO和TRACE衛星觀測太陽的紫外線和極紫外線也都有相同的現象。

圖5：陽光號在1991年至1995年（由左至右）以軟X射線觀察的太陽盤面影像，對應於第22週期的下降階段。

即使只佔了太陽輻照度中極小的比率，太陽的紫外線、極紫外線和X射線對地球大氣層上層的衝擊仍然是很深刻的。太陽的紫外線流量是同溫層化學主要的驅動者，電離層的反應，經由電導率和熱的變化，導致電離輻射強烈的增加。

### 太陽輻射流量

來自太陽的無線電波主要出自日冕活躍區上面被磁場拘束住的電漿。被標示為F10.7的是波長10.7公分的無線電波，接近被觀察的太陽無線電波的峰值位置。它表現出的擴散尺度，來自在日冕活躍區被磁場拘束的電漿的非輻射熱，並且良好的表現出太陽活動的程度。太陽的F10.7公分紀錄可以回溯至1947年，並且是除了太陽黑子紀錄之外，可供利用的太陽活動的最長期紀錄。

10.7光分波長的太陽電波流量曾經被認為會影響地球上點對點之間的通訊。

### 地質效應的噴發現象

太陽磁場構成的日冕，是在日全食的期間可以觀測到的典型現象。複雜的日冕磁場結構發展可以反映出在太陽表面流體的運動，和太陽內部發電機磁流體的發展。由於一些迄今尚未能詳細了解的原因，有時這些結構會變得不穩定，導致日冕物質拋射，或是閃焰，進入太空之中，由於區域性突然的釋放出磁能，造成大量的紫外線、X射線和高能粒子輻射。這些爆發現象可能會對地球的高層大氣層和太空環境產生重大的衝擊，並且是所謂太空天氣的主導者。

日冕物質拋射和閃焰的活動頻率與太陽活動週期有著密切的關連性。在極大期時，閃焰的大小和活動頻率是極小期的50倍；巨大的日冕物質拋射平均每天都有數5次，在極小期則數天才有一次。事件本身的大小與週期性的關聯則不明顯，最明顯的例子是發生在2006年12月，接近極小期的三次X級閃焰，其中一次（在12月5日，X9.0級的閃焰）是有記錄以來最大的。

### 宇宙射線流量

向外擴散由高密度電漿組成的太陽噴發物是驅散來自銀河系各處的星際物質和高能宇宙射線進入太陽系的良好物質。由於太陽物質拋射的頻率隨著太陽活動的週期調整，在太陽系外緣的宇宙射線散射程度也隨著逐步變化。結果是，宇宙射線在太陽系內部的流量與太陽的活動的整體強度成反比。這種反比的關係也清楚的呈現在地球表面的宇宙射線流量強度變化上。

有些進入地球大氣的高能宇宙射線能偶爾會與分子撞擊產生原子核的散裂，這某些分裂的產物包括某些放射性核素，例如14C和10Be，會沉降至地面。它們被凝聚在冰核中，可以讓我門重建在遙遠過去的太陽活動。經過重建後的整個太陽活動水準，呈現出在20是紀中期的太陽活動，幾乎位在過去一萬年的最高點上，蒙德極小期像是被壓抑的活動時期，在長時間的變化中一再的出現。

### 生物圈和人類生理節奏循環的衝擊

太陽週期對生物的衝擊包括一部分在科學上跨學門的研究，像是年代學、太陽生物學和天文生物學。在1924年，莫斯科大學醫學院的畢業生亞歷山大·奇熱夫斯基出版了跨學門的工作："在歷史過程之後的物理因素"和"流行病學浩劫和太陽的週期性活動，研究有機生物與太陽週期、月相週期循環之間的關連性。奇熱夫斯基發展出了一種新的學門：天文生物學和分支的太陽生物學。

## 外部連結

- 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），圖表後續更新由 David Hathaway接手製作。
- 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