太陽活動

李逍遙

太陽大氣層裡一切活動現象的總稱。主要有太陽黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和日冕瞬變事件等。由太陽大氣中的電磁過程引起。時烈時弱，平均以11、22年為週期。處於活動劇烈期的太陽(稱為“擾動太陽”)輻射出大量紫外線、x射線、粒子流和強射電波，因而往往引起地球上極光、磁暴和電離層擾動等現象。

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簡介
　　太陽活動是太陽大氣中局部區域各種不同活動現象的總稱。

包括：
太陽黑子是太陽活動的基本標誌


光斑：太陽光球邊緣出現的明亮組織，向外延伸到色球就是譜斑。光斑一般環繞著黑子，  太陽活動與黑子有密切的關係。
　　

譜斑：太陽光球層上比周圍更明亮的斑狀組織。 　　

太陽風：太陽風形成的帶電粒子流造成了地球上的極光 .　　


耀斑：發出的強大的短波輻射，會造成地球電離層的急劇變化。對人類的影響很大。造成短波通訊中斷。 　　


日珥：在日全食時，太陽的周圍鑲著一個紅色的環圈，上面跳動著鮮紅的火舌，這種火舌狀物體就叫做日珥。 　
　

影響：太陽活動對於地震、火山爆發、旱災、水災、人類心臟和神經系統的疾病，甚至交通事故都有關係。

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研究歷史

　　太陽活動變化的最長久紀錄是太陽黑子的變化。太陽黑子的第一次紀錄大約是在西元前800年前的中國，最老的描繪紀錄約在西元1128年。在1610年，天文學家開始用望遠鏡紀錄黑子和它們的運動，最初的研究聚焦于本質和行為。然而，黑子的物理性質直到20世紀能位被辨認，所以觀測還在持續中。在17世紀和18世紀，由於黑子的數目偏低，使得研究受到了阻礙，而現在認為是太陽活動低潮被延長的一段期間，如同所知的蒙德極小期。在19世紀之前，已經有足夠長的數值紀錄可以推斷黑子活動的週期性。在1845年，普林斯敦大學的教授約瑟夫•亨利和史蒂芬•亞歷山大使用熱電堆觀測太陽，並且確認黑子的輻射比周圍地區的太陽表面為低；稍後又觀測到太陽的光斑發射出的輻射高於平均數值。 　　

大約在1900年，研究人員開始探索太陽活動和地球上天氣間的關聯性，特別值得注意的是查理斯•格里利•阿布特的工作，因為他在史密松甯天文物理觀測所（SAO）領導觀察太陽輻射的變化。它的團隊必須從發明測量太陽輻射的儀器開始，之後，當他成為SAO的領導人時，他在智利的卡拉瑪建立太陽觀測站，以補威爾遜山天文臺在資料資料上的不足。他在273個月的海耳週期中找出了27個諧波的週期，包括7、13、和39個月的模式。他通過城市各個月的天氣紀錄，像是溫度變化與降雨量與太陽活動匹配或反對太陽活動的趨勢，尋找天氣間的關聯性。 隨著樹齡學的發展，像是沃爾多•S.•葛洛克等科學家注意到樹木的生長和現存紀錄上太陽活動週期之間的關聯性，並且以長達世紀的太陽常數變化，推論千年尺度的年代學也有相似的變化。 　　

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統計學上的研究顯示天氣和氣候與太陽活動的關聯是世紀性的，資料回推至1801年，當威廉•赫歇爾注意到麥子的價格和黑子紀錄之間有明顯的關聯性。他們現在以來自表面的網路收集和氣象衛星觀察的資料作全球性高度密集的比對，以綜合或觀察研究太陽變異的作用如何通過地球氣候系統散佈的詳細過程，並且/或強迫建立氣候模型。

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主要標誌

　　是太陽黑子和耀斑。耀斑是太陽活動最激烈的顯示。對地球的氣候 (降水) ，電離層 (無線電短波通訊) ，磁場 (有“磁暴”現象) 和在高緯度的夜空有極光出現。其平均週期約為11年 。

　　太陽黑子是太陽強烈的磁場活動抑制了對流的作用，因而使得於表面溫度相對較低、顏色較暗的區域。黑點的數量關聯到太陽輻射的強度，在1980年代，以阿布特、Foukal等人（1977年）意識到輻射的增加值與黑子的關聯性，只依據一顆衛星的觀測，估計其變異是很小的（只有1 W/m²的等級或總量的0.1%）。雨雲7號（在1978年10月25日發射）和太陽極大期任務衛星（1980年2月14日發射）查出，因為圍繞黑子周圍的區域更加明亮，整體的作用是越多的黑點意味著太陽越明亮。 　　

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曾有一些建議認為太陽直徑的變化也許會導致輸出的改變，但是最近的工作，主要是SOHO的米契森多普勒影像儀，顯示這種變化量極為微小，大約只有0.001%）。 各種各樣的研究都應用了黑子數目來進行（因為這項紀錄已延續了數百年）做為其他太陽輸出活動的代理（因為最好的也只有數十年的觀測資料），同樣的，地面儀器與在軌道極高高度上的儀器之間也做了比對和較准。研究人員結合目前的資料和調整歷史上的資料，其他代理的資料 － 像是宇宙射線產生的同位素 －被用來推斷太陽磁場的活動和可能的亮度。 　　

太陽黑子的活動已經使用沃夫數測量了300年之久，這個索引（也稱為蘇黎世數）使用黑子的數量和群組數量兩者補償在測量上的變化。芬蘭Oulu大學的Ilya Usoskin在2003年的研究指出，黑子的活動從1940年代開始比過去的1150年都要頻繁。重建太陽黑子的11,400年活動期間，在8,000年前曾經有明顯的活躍期。透過樹齡學使用放射性碳的濃度變化，已經重建了11,400年的黑子數目。在過去70年的太陽活動水準似乎是異常的，而相似的巨大變化最後一次大約發生在8,000年前。太陽的磁性活動較過去的11,400年高出了大約10%，並且早期的高活動性期間都比現在的事件要短。

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太陽週期
　
太陽週期是太陽行為上的迴圈變化，許多可能的模式曾被建立起來，但在觀測上只有11年和22年的週期是很清楚的被觀察到。 　　

11年：最明顯的是黑子數量在大約11年的週期中逐漸增加和減少，也因為施瓦貝的觀測被稱為施瓦貝週期。巴布科模型以磁場的流出和捲入來解釋此一週期。當太陽黑子增加時太陽表面的活動也最活躍，然而光度由於明亮的斑點也增加而沒有改變(光斑)。 　　

22 年：海爾週期，因喬治•埃勒裡•海耳得名。在每一個施瓦貝週期，太陽的磁場都會扭轉，因此磁極要兩次扭轉之後才會回到相同磁極的狀態。 　　

87年（70-100年）： 格萊斯堡週期，因沃爾夫岡•格萊斯堡而得名，被認為是施瓦貝11年週期的調幅(Sonnett and Finney, 1990).Braun, et al, (2005)。 　　

210年：Suess週期 (a.k.a. de Vries cycle). Braun, et al, (2005). 　　

2,300 years： 哈爾斯塔週期編輯本段對地球的影響

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對地球電離層的影響

　　地球大氣層在太陽輻射的紫外線、X射線等作用下形成電離層，無線電通訊的無線電波就是靠電離層的反射向遠距離傳播的。當太陽活動劇烈，特別是耀斑爆發時，在向陽的半球，太陽射來的強X射線、紫外線等，使電離層D層變厚，造成靠D層反射的長波增強，而靠E層、F層反射的短波卻在穿過時被D層強烈吸收受到衰減甚至中斷，如l970年11月5日長途台曾因此中斷2小時；這被稱為“電離層突然騷擾”。這些反應幾乎與大耀斑的爆發同時出現，因為電磁波的傳播速度就是光速，大約8分多鐘即可由太陽到達地球表面，所以反應非常快。經過一段肘間以後耀斑產生的帶電的高能粒子逐漸到達地球，它們受地球磁場的作用向地磁極兩極運動，因而影響極區的電離層，造成高緯度地區的雷達和無線電通訊的騷擾，甚至中斷。這被稱為“極蓋吸收”和“極光帶吸收”，它的影響時間較長。 　　

整個地球是一個大磁場。地球的北極是地磁場的磁南極，地球的南極是地磁場的磁北極。地極和磁極之間有大約11度的夾角，因此地球的周圍充滿了磁力線，不同的位置有不同的地磁強度。平時地磁受多方面的影響，會有不同程度的擾動，而影響最大的就是磁暴現象。磁暴一般發生在太陽耀斑爆發後20－40小時，它是地磁場的強烈擾動，磁場強度可以變化很大。這時太陽風速往往增加，並且向太陽一面的磁層頂面可由距地心8－11個地球半徑被壓縮到5－7個地球半徑，磁暴的發生對人類活動，特別對與地磁有關的工作都會受到影響。

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對地球氣候的影響

　　太陽活動與地球上氣候變化的關係也是比較明顯的，地球上氣候變化與黑子數目變化週期密切相關，可是其具體的作用機制還遠遠沒有搞清楚。世界許多地區降水量的年際變化，與黑子活動的11年週期有一定的相關性。另外，我們只是發現，亞寒帶的許多樹齡很高的樹木，它們的年輪恰恰有著與黑子活動11年週期相對應的、有規律的疏密變化。同時從統計資料中，我們發現凡是黑子活動的高峰年，地球上特異性的反常氣候出現的機率就明顯地增多；相反，在黑子活動的低峰年，地球上的氣候相對就比較平穩。另外地球高層大氣的變化也與太陽活動相關。地震、水文、氣象等多方面的研究都說明了太陽活動對地球的影響，關於這方面的物理機制還在研究中。

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　太陽大氣拋出的帶電粒子流，能使地球磁場受到擾動，產生“磁暴”現象，使磁鍼劇烈顫動，不能正確指示方向。當太陽上黑子和耀斑增多時，發出的強烈射電會擾亂地球上空的電離層，使地面的無線電短波通訊受到影響，甚至會出現短暫的中斷。磁暴一般發生在太陽耀斑爆發後20-40小時，它是地磁場的強烈擾動，磁場強度可以變化很大。這時太陽風速往往增加，並且向太陽一面的磁層頂面可由距地心8-11個地球半徑被壓縮到5-7個地球半徑，磁暴的發生對人類活動，特別對與地磁有關的工作都會受到影響。它會使羅盤磁鍼搖擺，不能正確指示方向，影響到海上航行之船、空中飛行之機、甚至信鴿的飛翔。　 　　

在磁暴發生時，高緯度地區常常伴有極光出現。極光常常出現於緯度靠近地磁極地區25度-30度的上空，離地面100-300千米，它是大氣中的彩色發光現象，形狀不一。常出現極光的區域稱為極光區。由於來自太陽活動區的帶電高能粒子流到達地球，並在磁場作用下奔向極區，使極區高層大氣分子或原子激發或電離而產生光。當太陽活動劇烈時，極光出現的次數也增大。

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地球兩極地區的夜空，常會看到淡綠色、紅色。粉紅色的光帶或光弧，這叫做極光。極光是帶電粒子流高速沖進那裡的高空大氣層，被地球磁場捕獲，同稀薄大氣相碰撞而產生的。 　　

太陽活動對地球的影響太陽活動有時比較平靜，有時比較劇烈；太陽有自轉，太陽上的活動區有時對向地球，有時又背向地球；地球本身有自轉又有公轉，因此太陽活動對地球的影響是很複雜的，週期也是各種各樣的，如日週期、27天週期、年週期、11年週期等等。這裡主要談耀斑和快速變化的黑子群對地球的影響，小活動造成的影響及平靜太陽對地球產生的各種各樣的影響就不涉及了。 　　耀斑及黑子對地球的電離層、磁場和極區有顯著的地球物理效應。

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對航太活動的影響

　　大耀斑出現時射出的高能量質子，對航太活動有極大的破壞性。高能質子達到地球附近肘，特別是容易到達無輻射帶保護的極區，會影響極區飛行；如遇衛星則對衛星上的儀器設備有破壞作用；太陽能電地在高能質子的轟擊下，性能會嚴重衰退以至不能工作；如遇在飛船外工作的宇航員將危及生命。 　　

太陽活動達到高峰時，地球上太平洋熱帶及亞熱帶地區氣溫升高、海水加速蒸發、西太平洋熱帶海域的降雨增多，而與此同時，東太平洋熱帶海域氣溫降低，這一現象類似於拉尼娜現象。在接下來的一兩年中，這一現象又在太陽活動的作用下逐漸演變為一種類似於厄爾尼諾的現象，緩慢移動的洋流帶來溫暖的海水，取代了東太平洋熱帶海域溫度較低的海水。 　　

總的說來，太陽對地球的影響主要體現在四個方面：1.擾動地球上空電離層，影響無線電短波通信；2.擾動地球磁場，產生“磁暴”現象；3.作用於兩極高空大氣，產生極光；4.影響地球自然環境，產生自然災害。

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從太陽活動對地球的影響可以看出，對太陽活動的預報有很大的必要。現在包括中國在內的許多國家，都已開展這方面的工作。通過預報可使有關部門，如：通信部門、航天部門等，及時採取措施減少太陽活動對這些部門工作的影響，也為準確地進行天氣、氣候、水文、地震等預報提供資料。

曹兵

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