/ 我國古人對太陽黑子的觀測

　　遠古時期，人們(men) 想要解釋太陽的運行，似乎隻有飛鳥能夠承擔此任務，所以古代的《山海經‧大荒東(dong) 經》提到“湯穀上有扶木，一日方至，一日方出，皆載於(yu) 烏(wu) ”。是說在湯穀這地方有扶桑樹，每天太陽都會(hui) 到這裏來，它是由烏(wu) 來載著在天空中運動，所以也就有“金烏(wu) 負日”這種說法。在現存漢代的帛畫或墓畫都可以看到金烏(wu) 負日的圖片。

　　馬王堆帛畫的二足金烏(wu)

　　後人推測，古人應該不是隻看到鳥在空中飛翔而有這種想象，而是在太陽上真的看到了有像烏(wu) 鴉一樣的東(dong) 西，所以在後來西漢的《淮南子‧精神訓》當中會(hui) 有“日中有踆烏(wu) ”的記載，不過在這裏踆烏(wu) 的意思不大明確。到了東(dong) 漢的王充就明確說出太陽上有種黑色的東(dong) 西，但他不認為(wei) 是烏(wu) 鵲，而是位於(yu) 太陽表麵的“黑氣”，所以之後如果有古人再看到現在所認識的黑子時，通常就會(hui) 有“黑氣”等說法。皇權製度認為(wei) 太陽等其它天體(ti) 與(yu) 皇權有密切聯係，它們(men) 的變化也就意味著天意。如果太陽上出現黑子，那就在一定程度上意味著天子、皇權有問題，所以皇權當中要有專(zhuan) 責機構來觀測天體(ti) 現象，這就使我國曆朝曆代一直會(hui) 對太陽黑子或其它天體(ti) 持續觀測和記載。比如在《漢書(shu) ‧五行誌》中就保存了現今公認最早的有明確日期的太陽黑子記錄：“河平元年三月乙未（公元前28年5月10日），日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央”。這裏的日期、時間、大小、位於(yu) 日麵位置等信息都較為(wei) 清楚。

　　/ 伽利略的觀測

　　在歐洲，由於(yu) 受到亞(ya) 裏士多德的影響，在17世紀前，人們(men) 通常會(hui) 認為(wei) 天體(ti) 是靜態的，隻有地麵萬(wan) 物才會(hui) 變化，所以對於(yu) 肉眼可觀察到的黑子會(hui) 視而不見。到望遠鏡發明後，人們(men) 才開始對黑子進行觀測和記載，最具代表性的當屬伽利略（Galileo Galilei， 1564-1642）。伽利略對太陽黑子所做最有意義(yi) 的觀測，是在1612年夏天對黑子持續觀測數月。然而當時雖有望遠鏡的幫助，可做詳細的記載，但仍有人不相信那是聖潔無暇的太陽所有的現象，而認為(wei) 那是行星。伽利略持續數月的觀測說明那些黑點不可能是行星，而是太陽表麵或大氣的東(dong) 西。這時他還發現太陽會(hui) 旋轉，周期大約是27天。

　　/ 陰錯陽差的發現

　　在伽利略後的一百多年，人們(men) 對黑子並不重視。等到19世紀有一個(ge) 叫做施瓦布（Samuel H。 Schwabe， 1825-1867）的德國藥劑師想要藉由行星淩日的方式，尋找比水星軌道更靠近太陽的行星，於(yu) 是從(cong) 1825年開始做太陽黑子的手繪記錄。經過43年總共繪製了四千多張太陽黑子的圖片。

　　施瓦布沒有找到他所期待的行星，但長時間的觀測發現黑子數目會(hui) 隨著時間增加、減少、再增加，他得出這數量存在一個(ge) 10年周期的變化，這就是後人熟知的“太陽活動周期”，不過數值要修正為(wei) 11年。

　　/ 太陽黑子的變化會(hui) 影響地球

　　另外一個(ge) 同時期的英國業(ye) 餘(yu) 科學家卡林頓（Richard Carrington， 1826-1875），他對黑子本身很感興(xing) 趣，每天隻要天氣允許就觀測太陽黑子。在1859年9月1日這天早上，他把太陽影像投影在板上描繪黑子時，突然發現黑子中間區域瞬間增亮，又慢慢恢複，這讓他非常興(xing) 奮。他事後把這現象匯報給英國皇家學會(hui) ，當時他雖然對此現象感到激動，但不太了解其中意義(yi) 。18個(ge) 小時後，9月2日，格林尼治地磁台站探測到非常強烈的地磁擾動，事後還發現在地球中低緯度都可見到極光的記錄。

　　卡林頓觀測到太陽黑子的A區與(yu) B區瞬間增亮（Carrington，1859）

　　這裏對照看一下當時在河北省石家莊附近所留下的記載：“秋八月，癸卯夜，赤氣起於(yu) 西北亙(gen) 於(yu) 東(dong) 北” （引自《欒城縣誌》），這對應的時間就是1859年9月2日晚，可見在當時中國緯度40度處也產(chan) 生極光，相當罕見。這就引人好奇：這些現象之間會(hui) 有什麽(me) 關(guan) 係？不過最初發現時並沒有人對此深入研究。

　　/ 卡林頓的另外重要發現

　　卡林頓對太陽觀測還有另外兩(liang) 個(ge) 貢獻。他發現黑子出現在日麵的位置並非隨機，而是有規律可循，在一個(ge) 新周期中，這些黑子會(hui) 隨時間從(cong) 中緯度向低緯度遷移。如果把曆年黑子出現的緯度沿著時間軸繪出，就會(hui) 得到下麵的蝴蝶圖。

　　太陽黑子在日麵位置變化的圖形，隨著時間繪出，即可得到蝴蝶圖

　　第三個(ge) 重要的發現是卡林頓看到不同緯度的黑子轉一圈的時間不一樣，赤道自轉的比較快，極區轉的比較慢，現在精確測量顯示赤道大約25天轉一圈，極區則要35天才轉一圈。這種現象被稱為(wei) “較差自轉”。                                                          

　　太陽的較差旋轉

　　/ 將耀斑與(yu) 地表現象關(guan) 聯起來

　　當年卡林頓看到黑子耀斑以及耀斑對地球的影響，並沒有受到重視，沒人意識到這些現象的關(guan) 聯。在這之間建立起關(guan) 聯的關(guan) 鍵人物是德國科學家洪堡（A。 von Humboldt， 1769-1859），他是近代地理學的創建人之一。他曾在西伯利亞(ya) 旅行中測量不同地方的地磁強度，也呼籲歐洲各國一起來做地磁監測。洪堡在哥廷根大學和他的朋友高斯一起組織一個(ge) 跟地球磁場相關(guan) 的協會(hui) ，還在生前編纂了五卷本的巨著《宇宙》。

　　薩拜恩（Edward Sabine， 1788-1883）是英國皇家學會(hui) 的負責人，當他看到洪堡的《宇宙》這本書(shu) ，讀到書(shu) 中描述施瓦布有關(guan) 太陽11年周期的記載，他對照自己的地磁暴記錄，發現地磁暴總是和極光有很好的對應，這些頻繁出現的時段剛好是施瓦布報導黑子數目多的時期。這就使他得到一個(ge) 結論：太陽爆發活動會(hui) 造成地磁的擾動。這就使得科學家開始對太陽黑子持續監測，並且還有人去編纂前人對太陽黑子的監測結果。

　　/ 曆時最長的科學實驗

　　這工作主要由蘇黎世天文台台長沃爾夫（Rudolf Wolf， 1816-1893）來承擔，他在19世紀50年代開啟持續對太陽的觀測並整理過去的記錄，這就使人類有了持續最長的科學實驗：四百多年的太陽黑子記錄。

　　從(cong) 這記錄中可以看到施瓦布所提到的大約11年的周期現象。研究還發現在1700年之前的數十年黑子數量都很少，那階段被稱為(wei) 蒙德（Maunder）極小期，大約等到1755年數量的變化才恢複11年的周期，因此就把1755年開始稱為(wei) 第一個(ge) 太陽周，目前前一個(ge) 周期剛結束，在2019年無黑子的天數達274天，現在新的周期正開始，被稱為(wei) “第25太陽周”，預期近幾年會(hui) 看到越來越多的黑子，還會(hui) 有大黑子出現。

　　基於(yu) 數代科學家持續積累的、四百多年的數據，所繪製的太陽黑子數隨時間的變化圖

　　/ 從(cong) 磁場切入對黑子的物理研究

　　想要理解黑子的本質，需要用物理學的星空体育官网入口网站來理解。1896年荷蘭(lan) 物理學家塞曼（Pieter Zeeman， 1865-1943）發現，由原子能級間躍遷所產(chan) 生的譜線，在足夠強的磁場中會(hui) 分裂，分裂大小與(yu) 外加磁場成正比，這就提供了通過譜線去測量磁場的有效方法。

　　美國天文學家海爾（George Ellery Hale， 1868-1938）最先把這項新的物理學發現用到黑子觀測上，從(cong) 1908年開始，透過光譜儀(yi) 觀測黑子，看到譜線分裂而得知黑子區域所對應的磁場是上千高斯，這是人們(men) 第一次在地球之外發現磁場。相較之下，地球的磁場不到1高斯，可見黑子區域的磁場相當大。

　　借由塞曼效應探測太陽黑子區域的磁場

　　後續的研究告訴我們(men) ，不隻是太陽，許多天體(ti) 都會(hui) 有磁場，這被認為(wei) 是20世紀天文的重要發現之一。磁場有個(ge) 特性，即一定會(hui) 南北極成對的出現，在太陽上也是。下圖是國家天文台懷柔太陽觀測基地利用塞曼效應所得的太陽磁圖，圖上黑白的區域對應的就是正負極性的黑子，成對出現，自然會(hui) 讓我們(men) 想到磁鐵的南北極。

　　太陽全日麵磁圖/國家天文台懷柔太陽觀測基地的觀測

　　另外可以注意的是，這些正負極排列基本上是大致平行赤道，但同時呈現一定的傾(qing) 角，這就給我們(men) 一些提示來思考黑子與(yu) 磁場的產(chan) 生機製。根據黑子的觀測，我們(men) 可以判斷，黑子應該是來自太陽內(nei) 部的磁通量往外浮現。

　　既然它來自內(nei) 部，而它的結構基本上與(yu) 赤道平行，這就暗示說有個(ge) 像環一樣的磁流管，從(cong) 內(nei) 部往上升到表麵，兩(liang) 個(ge) 足點對應著南北極。而根據我們(men) 對馬蹄形磁鐵的了解，它的磁場會(hui) 從(cong) 足部延伸到很遠的區域，因此推測太陽的磁場應該也會(hui) 延伸到表麵外的區域。那就得針對太陽不同高度大氣去觀測，實際觀測發現的確有這跡象，類似馬蹄形磁鐵的外延磁場。用X射線拍攝可以看到日冕的磁環，我們(men) 可以把它類比為(wei) 日冕的“骨架”。

　　觀測到的日冕磁環類似於(yu) 馬蹄形磁鐵外由鐵屑構成的磁力線

　　太陽活動區上方不同高度大氣的觀測

　　/ 太陽極區的磁場

　　如果把太陽表麵的磁場在經圈方向做平均，再把不同時刻的數據連接在一起，就可以得到類似前述“蝴蝶圖”的結果。從(cong) 該圖可以看出，極區也有磁場，也有大約11年的周期性變化，極區磁場是由黑子所在區域的磁場向極區漂移而產(chan) 生的。

　　太陽表麵經圈方向平均的磁場在緯度方向的分布隨時間的演化

　　/ 日球層

　　太陽磁場能延伸多遠，這大致對應日球層的概念。其邊界可理解為(wei) 太陽磁場和星際磁場勢均力敵的地方，尺度大約120 AU。太陽的磁赤道上下會(hui) 有相反極性的磁場，這會(hui) 產(chan) 生延伸到整個(ge) 日球層空間的電流片。在太陽自轉帶動下，產(chan) 生如同芭蕾舞裙一樣的結構。太陽的磁場就像地球的磁場保護地球減少受到外來高能粒子的影響一樣，日球層的磁場也會(hui) 屏蔽太陽係外的天體(ti) 高能粒子進入。

　　[AU是天文單位（Astronomical Unit）的簡寫(xie) ，這是指太陽到地球的平均距離，通常用於(yu) 表達太陽係或行星係統中的距離。120AU代表太陽到地球距離的120倍。]

　　日球層的主要結構

　　/ 磁場的作用

　　太陽光球層的物質流動造成磁場的擠壓、扭曲、拉伸、變形，這些過程會(hui) 把動能轉化成為(wei) 磁能，當能量累積到一定程度，滿足一定條件時就會(hui) 產(chan) 生耀斑或日冕拋射，釋放巨大能量。因為(wei) 磁場對高層大氣加熱，不同高度會(hui) 對應不同的信息，下圖橫坐標是從(cong) 光球層往外的不同高度，縱坐標則是對應溫度，從(cong) 中可看到一開始原本往外是緩慢下降，但在距離日麵約2千公裏的高度，溫度從(cong) 幾萬(wan) 度迅速上升到百萬(wan) 度，什麽(me) 原因造成的日冕高溫，這是太陽物理一直在探索的重大科學問題之一。

　　太陽大氣的溫度隨高度的變化，急劇升溫的地方是色球與(yu) 日冕之間非常薄的過渡區

　　太陽表麵的逃逸速度大約是600 km/s，而在日冕高溫下，會(hui) 有一定比例的做無規則熱運動的粒子的速度超過這一數值，而形成太陽風。美國太陽物理學家帕克（Eugene N。 Parker， 1927-）在1958通過流體(ti) 靜力學模型，從(cong) 理論是預見太陽應該會(hui) 有持續的物質往外流，等到1959年人造衛星升空觀測，很快得到證實。這顯示太陽是可以用理論去理解與(yu) 預測，這也是空間科學的魅力所在。

　　/ 黑子和太陽周的成因

　　太陽的物質形態是等離子體(ti) ，又因為(wei) 它有磁場，因此稱之為(wei) “磁化的等離子體(ti) ”，當等離子體(ti) 磁雷諾數足夠大時，會(hui) 產(chan) 生“磁凍結”現象，簡單的說就是隨等離子體(ti) 一起運動的任何封閉回路所圍曲麵的磁通量是不變的。磁場足夠強時，磁場主導，這是能看到前述日冕磁環的原因；當流場足夠強時，流場主導，磁力線像橡皮筋一樣被流場拉伸、扭曲，進而動能轉換為(wei) 磁能。

　　解釋太陽磁場產(chan) 生機製的理論我們(men) 稱之為(wei) 太陽發電機，與(yu) 我們(men) 日常生活中所熟悉的產(chan) 生電流的發電機既有相同也有不同之處。太陽發電機具體(ti) 是指通過一定的運動（旋轉、對流等），維持具有觀測到的周期性變化特征的太陽磁場的磁流體(ti) 力學過程。

　　[等離子體(ti) ：氣體(ti) 形態下，部份原子及原子團的電子被剝奪後的物質，宏觀下仍保持電中性。這被視為(wei) 固態、液態、氣態之外的物質存在的第四態，太陽就是屬於(yu) 等離子體(ti) 。]

　　此外，觀測給我們(men) 的啟發是，黑子應該來自太陽內(nei) 部。我們(men) 通過恒星結構模型可以推測恒星內(nei) 部結構，中心是氫聚變反應的區域，持續提供恒星發光發熱的能量來源，稱為(wei) 核反應區。核反應產(chan) 生的能量會(hui) 以輻射和對流等方式持續向外輸運，根據不同區域主導的能量傳(chuan) 輸方式的不同，人們(men) 把太陽內(nei) 部分為(wei) 輻射區和對流區。磁流管的存在會(hui) 抑製能量傳(chuan) 輸，使得局部區域的溫度偏低，相較於(yu) 旁邊溫度較高的區域而言，這些地方就會(hui) 顯現較暗。

　　黑子磁場的產(chan) 生和由較差自轉的作用而產(chan) 生的環向場有關(guan) 。太陽有連接南北極的極向磁場，在較差自轉情況下，磁場會(hui) 被扭曲拉伸，產(chan) 生環向的磁場，這過程中因為(wei) 磁凍結不斷拉伸，有磁流管的局部地區磁場也會(hui) 增強，造成磁壓強在內(nei) 部的會(hui) 比外部小，如果裏外溫度一樣的話，所對應內(nei) 部的密度會(hui) 比較低，因此會(hui) 往上，浮現到太陽表麵，形成太陽黑子。

　　在較差自轉的作用下，從(cong) 極向場產(chan) 生環向場的過程

　　因為(wei) 南北半球磁流管的方向相反，當它浮現時就可以看到前導-後隨相反的情況。太陽有黑子所對應的環向磁場，也有連接南北半球的極向磁場，這兩(liang) 部分的磁場在一定的速度場作用下周期性的互相產(chan) 生，就可以看到一個(ge) 大約11年周期的變化。

　　/ 不同年齡的太陽活動

　　旋轉的太陽持續產(chan) 生太陽風，還會(hui) 有間歇性的物質拋射，這些物質的丟(diu) 失，在磁場的影響下，就會(hui) 使太陽的角動量持續的損耗，產(chan) 生“磁製動現象”，使得太陽在一百億(yi) 年的歲月中，旋轉速度不斷減小，這也連帶會(hui) 使磁活動或黑子有所變化。

　　由於(yu) 我們(men) 的觀測相較於(yu) 太陽的漫長壽命太短暫，因此這方麵得參考其他跟太陽類似的低質量恒星的觀測綜合來看。研究發現磁活動的特征會(hui) 隨著年齡增大而減小，同時其旋轉速度也會(hui) 降低。越年輕的太陽/恒星，其旋轉會(hui) 比較快，同時黑子麵積所占的恒星表麵麵積可能越大，日冕等磁活動也會(hui) 越劇烈。雖然我們(men) 不能直接看到恒星的黑子的詳細情況，但是通過恒星表麵的黑子對亮度的影響，知道黑子或磁活動的情況。下圖顯示的就是葉永烜老師和他學生對不同光譜型的恒星的光度變化、耀斑能量的研究結果，對於(yu) 不同恒星、黑子尺度與(yu) 耀斑能量都不盡相同，但這些黑子活動是普遍存在的。

　　不同類型恒星（紅色質量最低，再次依序為(wei) 綠色、藍色）的耀斑能量，可見其差異（Lin， Ip et al。， 2019）

　　/ 結語

　　渺小的人類對偌大的宇宙探索，常會(hui) 問：我們(men) 在宇宙中是否孤獨？我們(men) 會(hui) 希望找到跟地球一樣的地方，跟太陽一樣的恒星。雖然目前還沒找到，就算找到也不一定能過去。然而愛因斯坦曾說：這個(ge) 世界最不可理解的事情是這個(ge) 世界是可以被理解的。這話鼓舞著我們(men) ，希望通過物理、通過空間科學的相關(guan) 星空体育官网入口网站，可以認識不同的天體(ti) 、認識我們(men) 的宇宙。

　　這裏借由介紹太陽黑子的相關(guan) 研究，讓我們(men) 看到不同的學者在各自的時代中做出貢獻，一代代人不斷積累星空体育官网入口网站，再去創造新的星空体育官网入口网站，恰巧對應著橫渠四句教的其中兩(liang) 句：為(wei) 往聖繼絕學，為(wei) 萬(wan) 世開太平。我們(men) 在繼承前人的自然科學星空体育官网入口网站的基礎上發展自己的星空体育官网入口网站，探索宇宙。


關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情