什么叫“太阳周”？丨Calling太空
编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
9月15日，美国国家航空航天局（NASA）在其官网上发布一条消息，称太阳已经开始了一个新的周期，被称为第25个太阳周。且不论这是第几个周，到底什么叫“太阳周”呢？太阳的什么规律遵循什么周期吗？这事是凭什么、由谁决定的呢？
大家可能还记得科幻电影《2012》，里面说2012年地球出现了一系列的灾难。这部电影的灵感就来自NASA的一份报告，里面警告2012年太阳的“活动”“可能”非常强，“可能”给全世界的电子系统带来巨大的灾难，不过到了当年，以及这部电影当中，就被作为一种确定结论去描述了。2012年就属于第24个太阳周。
电影《2012》海报（图片来自网络）
什么是太阳的“活动”呢？大家可能听过很多太阳上发生的现象，比如太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥、CME事件等等，这些太阳大气中的剧烈现象被称为它的活动，被认为是由太阳大气中的电磁过程引起。
太阳黑子和耀斑是大家常在新闻上看到的。太阳黑子是太阳表面一些黑乎乎的区域，出现的高度被称为太阳的光球层，这里发出的正是我们肉眼看到的可见光，而其中较暗的地方就是黑子。其实黑子非常大，常常可以比咱们地球还大。在我国史书上有着丰富的黑子目视记录，仅正史上就有100多次。现在公认的世界上第一次明确的黑子记录是公元前28年我国汉朝人所观测到的。在《汉书·五行志》里是这样记载的：“成帝河平元年三月乙未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”。公元1610年，著名的意大利天文学家伽利略首次用望远镜观察太阳黑子，发现黑子是太阳表面非常普遍的现象。不过，这一观测结果与当时的宗教教义相抵触。从1818年开始才有比较常规的每日黑子观测，从而有比较可靠的黑子资料。
太阳“光球”上黑子的样子（图片来自网络）
1859年9月1日的上午，英国天文爱好者卡林顿观测太阳黑子时，日面北侧一个大的复杂黑子群附近突然出现了两道极其明亮的白光，其亮度迅速增加，远远超过光球背景，明亮的白光仅维持了几分钟就很快消失了。同在这一天，英国天文学家霍奇森也看到了这次太阳上的突发现象。这是耀斑的第一次记录，同时也是白光耀斑的第一次记录。具有光辉夺目的特征，也就无愧被称为“耀”斑。
耀斑是强烈的太阳活动现象（图片来自网络）
包括太阳黑子和耀斑在内的许多现象描述了太阳大气当中发生的过程的强烈程度——它们有时候出现频繁而且非常强，辐射强度很大，还释放出许多物质进入太空，并且往往引起地球上极光、磁暴和电离层扰动等现象，但有时候发生率又很低，显示出“风平浪静”的时期。1843年，德国天文学家施瓦布年复一年的持续观察与统计了17年太阳盘面上黑子变化的平均数量后，发现太阳黑子数量的多寡有大约11年的周期。粗略来看，曾观测到的周期最短的约有9年，最长的约有14年，平均长度为11.1年。其余的太阳活动也大略遵循这一规律，这也是为什么太阳黑子的数量老被当成表征太阳活动周期的基本标志。
有一张非常有名的太阳“蝴蝶图”，来自1904年英国天文学家爱德华·蒙德将太阳黑子活动的纬度为纵坐标、时间为横坐标，画出的每天的太阳黑子的纬度分布随时间变化的图，如下图中的上图所示，当周期开始时，黑子出现在中纬度的区域，随著周期的推展，黑子出现的纬度逐渐相赤道接近，直到极小期才会出现在赤道上。图形在南北半球大体对称，对应为黑子高发区随时间向赤道集中，好像一只只蝴蝶。
太阳活动“蝴蝶图”（图片来源：NASA）
太阳的活动在一个周期中有强有弱，我们把太阳活动强的年份叫太阳活动高年，对应太阳黑子数最多的时间，其他太阳活动也又多又强；太阳活动弱的叫太阳活动低年，对应太阳黑子数最少的时间，太阳活动很少发生甚至不发生，显得比较平静。太阳活动也像正弦曲线一样，从太阳活动的高年到高年、或者低年到低年，或者在两个周期当中自定义的相同相位，其之间的时间都是平均余额11.1年，也就是一个周期。下图呈现了第24周期中处于极大期（左，拍摄于2014年4月）和极小期（右，拍摄于2019年12月）的太阳，可以看出两者存在明显差异。
太阳活动高年（左2014年4月）和低年和（右2019年12月）（图片来源：NASA）
既然每大概11年是一个周期，科学家就给它们编了号，叫成“太阳周期”，也就是太阳周，这是人为制定的。开篇我们说第24/25太阳周，不是因为太阳只经历了二十多个太阳周期，而是我们人类观察并记录黑字数的记录是有限的。科学家将1755年到1766年的太阳活动周期定为第1周期，到2019年太阳活动逐渐结束了第24周期，如今进入第25周期。第25太阳周的极大值年大约是2025年。既然每11年一个周期，2012年自然还属于第24个太阳周。
根据后来的理论研究和分析，乔治·海尔等科学家提出太阳的磁场变化周期大约是22年，磁极要两次扭转之后才会回到相同磁极的状态，其中南北半球在大约11年的时候会倒一次，表现出来的太阳活动周期就是大约11年。22 年的周期被称为海尔周期。
来源：中国科学院国家空间科学中心