太阳黑子

黑子一般成群出现在太阳表面，天文学家又将其称为“黑子群”。黑子的形成周期短，形成后几天到几个月就会消失，新的黑子又会产生。太阳黑子是太阳活动的重要标志，其活动存在着明显的周期性，周期平均为11.1年。黑子群对地球的磁场和电离层会造成干扰，并在地球的两极地区引发极光。

黑子是由本影和半影构成的，本影就是特别黑的部分，半影不太黑，是由许多纤维状纹理组成的。当大黑子群数量增多时，就预示着太阳上将有剧烈的变化。人类发现太阳黑子活动已经有几千年了。黑子的活动周期为11.2年。届时会对地球的磁场和各类电子产品和电器产生损害。在开始的4年左右时间里，黑子不断产生，越来越多，活动加剧，在黑子数达到极大的那一年，称为太阳活动峰年。在随后的7年左右时间里，黑子活动逐渐减弱，黑子也越来越少，黑子数极小的那一年，称为太阳活动谷年。国际上规定，从1755年起算的黑子周期为第一周，然后顺序排列，2009年开始为第24周。

黑子特性

太阳黑子产生的带电离子，可以破坏地球高空的电离层，使大气发生异常，还会干扰地球磁场，从而使电讯中断。一个发展完全的黑子由较暗的核和周围较亮的部分构成，中间凹陷大约500千米。黑子经常成对或成群出现，其中由两个主要的黑子组成的居多。位于西面的叫做“前导黑子”，位于东面的叫做“后随黑子”。一个小黑子大约有1000千米，而一个大黑子则可达20万千米。

太阳黑子的形成与太阳磁场有密切的关系。但是他到底是如何形成的，天文学家对这个问题还没有找到确切的答案。不过科学家推测，极有可能是强烈的磁场改变了某片区域的物质结构，从而使太阳内部的光和热不能有效地到达表面，形成了这样的“低温区”。黑子越多可能说明太阳越老（红矮星上黑子占据表面的一半），可能也是所有恒星寿命的一般特征，黑子附近的周边应该比太阳正常的地方温度高一些（此消彼长的原因），黑子向低纬度运动是因为太阳密度小和自转的原因，就像地球上的大陆版块向低纬度运动一样，有黑子的地方存在凹陷500千米可能是温度低而不再膨胀的原因。

周期性

天文学家对黑子的活动从1755年开始标号统计，规定太阳黑子的平均活动周期为11.2年。黑子最少的年份为一个周期的开始年，称作“太阳活动宁静年”又称“太阳活动谷年”，黑子最多的年份则称作“太阳活动峰年”。^[2]

黑子原因

仔细观察黑子可以发现，一个发展成熟的黑子是由中心颜色暗黑的部分和其周围暗黑的部分组成。前者是黑子的本影，后者为黑子的半影。黑子是太阳光球上的低温区，本影区的绝对温度在4000℃左右，半影则为5400℃。所以，黑子其实并不黑，只是因为它的温度比光球低，才在明亮的光球背景衬托下显得黑。

导致黑子温度低的直接原因则是因为它自身具有强磁场，磁场强度约在1000高斯~4000高斯之间，比地球上的磁场强度高上一万倍。强磁场能够抑制太阳内部能量通过对流的方式向外传递。所以，当强磁场浮现到太阳表面时，该区域的背景温度缓慢地从5700℃降到4000℃左右，使该区域以暗点形式出现，即黑子产生。

关于这个问题天文学界一直众说纷纭。一种说法是黑子可能是太阳的核废料（如人类核反应堆的核废料），约11年出现一次可能是黑子在太阳里面和表面的上下翻动一次造成的（如元宵在锅里被煮得上下翻动），黑子温度较低应该也是废料的一个证明（如煤炉中的炭灰在一般情况下不能再产生高温）。^{[3]另一种说法是：由于太阳的聚变作用，热核反应区周边的物质向内补充，在半径为0.75R处物质补充速度较其周围更快，由于角动量守恒，此处运动速度比周围快，产生摩擦。由于质子与电子所受摩擦不同，所以运动的相对速度不同，产生电流，进而产生管状磁场，管内气压+磁压=管外压强，所以管内气压<管外压强。根据克拉伯龙方程（pV=nRT）管内温度<管外温度。因为此结构密度小于周围物质，所以漂浮到对流层表面，形成黑子。}

黑子倾向于成群出现。一个发展成熟的典型黑子群由两部分组成，由于太阳自转，西边的部分总是在前面，称为前导部分；与其对应，东边的就称为后随部分。前导和后随黑子的磁场极性相反，一个表现得如北磁极（N），另一个则表现得如南磁极（S），这样的黑子群也因此称为双极黑子群。黑子群中也存在只有一种极性的单极群和极性分布复杂的多极群。一般来说，黑子群越大，磁场极性越复杂，磁场强度越大。

黑子的形成

太阳黑子

一般认为太阳黑子和其他活动性都起因于热对流和各部份自转速度不同。

可以设想在太阳上原来存在南北两个磁极，在对流层里面行成的经向磁场。太阳物质的不同部位以不同转速运动(这称为较差自转),赤道附近自转较快靠近极区转得较慢。于是“冻结”在太阳物质里的磁力线就会逐步被拉长并环绕太阳，带有纬向成分。经多次缠绕之后纬向成分愈来愈强。磁场强度与磁力线的密度成正比，在多次缠绕之后太阳物质里的磁场基本变成纬向而且强度大为增加。磁力线之间互相有斥力，磁场加强时斥力愈来愈强。既然磁场“冻结”在太阳物质里面，磁力线的斥力就给太阳物质加上一种膨胀压力，通常称为磁压。在太阳内部对流层内，由于不均匀性，各处的气体压力并不完全相同，如果某处磁压超过气压，这一团物质就会膨胀，结果会像水里的气泡一样受到上浮力的作用向表面升起，最后连磁力线带物质都冒出太阳表面。在磁力线集中穿过对流层顶部进入光球的地方就会形成黑子。在磁力线集中和穿入的部位形成的黑子分别为N极性和S极性。且赤道两侧的磁力线走向正好相反，所以在南半球和北半球形成的黑子对的极性也相反。

由左到右可见磁力线缠绕的情形，及南北半球黑子的极性相反。

到此为止，我们发现所找到的资料对以上的说明差异性不大，均是以同一理论为观点。但在下来，讨论到为何磁力线会影响到温度时，便出现了新、旧两种差异性颇大的理论。

依照旧理论的说法，由于黑子里面磁力线大量密集，强大的磁场阻碍著太阳由内部到日面的对流，也就是电浆在黑子区的强大磁场之下不能随意移动，形成类似栓塞的效果，防止能量继续从内部流向表面。当栓塞上方的物质冷却后，已将近五千公里的时速流回太阳表面，周围的电浆便朝向黑子中心的磁场中进一步冷却并沉降，在磁场强度未衰之前，冷却效应便能够继续维持黑子结构的稳定。

由于磁拴塞能够防止热流向太阳面，因此黑子下层温度逐渐升高。天文学家在 1998 年6月的观测发现，太阳黑子其实很浅，表面下五千公里处的声速明显较高，显示该处的温度也较周围为高，与太阳黑子在表面处所呈现的现象刚好相反。新的理论同样以强大的磁场为基础，但却认为磁场不但没有抑制，反而大大加速能量的传送。

黑子的强大磁场把大部份热流变为磁流体波，沿磁力线迅速传播出去，能量就此化为波动(wave)，因而冷却下来。

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什么是太阳黑子？

观测特征

黑子群的成长演化

日面上经常形成许多黑子群。每个黑子群中的黑子有一、二个至几十个，每个黑子的直径大小约有几百至几万千米。黑子群的大小则以它在日面上的面积来表示，单位是太阳半球面积的百万分之一。一百个面积单位跟地球面积相当，普通黑子群的面积为几百个面积单位，大黑子群的面积则能达到几千个面积单位。

黑子群的演化过程通常由简单变复杂，再变简单。起初，它是个小黑点，逐渐发展成由两个极性相反的大黑子构成的双极黑子群。两个大黑子间又有很多小黑子，大黑子在逐渐增大的同时，距离越来越大，然后逐渐分裂，最后消失。黑子群寿命短的只有1天~2天，长的可达几个月，大部分黑子群的寿命可以持续1天~20天。

黑子数量的11年周期性

从长期的黑子相对数记录可见，黑子相对数的平均值明显的表现出11年左右的周期性，最短为9.0年，最长为13.6年。从黑子数的多寡以及太阳10.7厘米射电流量的变化，就能很容易看出太阳活动的这种周期变化。黑子相对数的年均值的极大和极小年份，分别称为太阳活动的极大年（峰年）和极小年（谷年）。通常，也将黑子相对数年均值相对高的太阳活动极大年和其相邻的几年，称为太阳活动高年；黑子相对数年均值相对较少的太阳活动极小年和其相邻的几年，称为太阳活动低年。

两次相邻极小年之间为一个太阳活动周。人们规定以1755年极小年起算的活动周为第一周。

黑子的蝴蝶舞步

受施瓦布发现的影响，英国天文爱好者卡林顿通过1853年——1861年间的日常黑子观测，首次发现黑子在日面上的纬度位置随时间向赤道方向迁移；德国天文学家古斯塔夫·施波雷尔通过对卡林顿观测数据的进一步分析得到太阳黑子在日面位置上的迁移呈现蝴蝶图样的分布。

在太阳活动周开始时，南北半球黑子群的平均纬度在30°附近，随着时间推移，黑子出现的纬度逐渐向太阳赤道转移，在极大年附近为15°左右，在活动周结束时，黑子群的平均纬度约为8°；同时，在每一活动周的末尾，新的黑子群又开始在高纬出现，形成前一周黑子在低纬和新一周黑子在高纬同时存在的情形，这样的情形大约维持一年左右。如果把日面纬度作为纵坐标，以时间作为横坐标，将黑子画在图上，我们就得到一串翩翩起舞的美丽的蝴蝶形图样。

黑子的亮墙结构

中国科学院国家天文台与云南天文台研究人员，共同综合利用云南抚仙湖一米新真空太阳望远镜（NVST）、美国太阳动力学天文台（SDO）及太阳界面层成像光谱仪（IRIS）的数据，首次发现了黑子亮桥上的垂直振荡亮结构，并将其命名为“亮墙（light wall）”。

2014年10月下旬，太阳的可见日面上出现了24年以来的最大黑子群，活动区编号为12192。NVST的TiO 705.8 nm图像显示，活动区12192的负极性主黑子具有完备的本影、半影结构，在黑子本影区存在着很强的亮桥结构。而IRIS 133 nm图像则显示，在亮桥结构的上方存在着垂直振荡的亮结构，像是扎根在亮桥上的一堵墙，所以形象的将其命名为亮墙。亮墙的整体都要比周围区域明亮，尤其是墙顶的亮度更高，在SDO的多个极紫外波段可见。亮墙的平均高度为3.6兆米。亮墙的顶部上下运动，形成连续的振荡，平均振幅和平均振荡速度分别为0.9 兆米和15.4千米/秒。通过对亮墙的高度变化进行小波分析，发现亮墙的主振荡周期为3.9分钟。科研人员提出，压力波引起的太阳径向脉动激发了亮墙的 振荡，而亮墙持续的亮度增强表明存在着持续的小尺度磁重联或者磁声波加热过程。

在此之前，根据人们的传统认识，成熟大黑子的基本结构大致由本影、半影、亮桥组成。最新的观测数据表明，亮墙是黑子内部的一种基本结构。亮墙结构的发现使得人们对黑子的结构有了更新的认识。

观测历史

与地球对比

从汉朝的河平元年，到明朝崇祯年间，大约记载了100多次有明确日期的太阳黑子的活动。在这些记载中，人们对太阳黑子的形状，大小，位置甚至变化都有详细的记载。

1840年代德国的一位业余天文学家发现了太阳黑子10-11年的周期变化规律。通过长期的观测，人们还发现太阳黑子在日面上的活动随时间变化的纬度分布也有规律性。一开始，几乎所有的黑子都分布在±30°的纬度内，太阳活动剧烈时，它往往出现在±15处，并逐步向低纬度区移动，在±8°处消失。在上一个周期的黑子还没有完全消失时，下一个周期的黑子又出现在±30°纬度附近。如果以黑子的纬度为纵坐标，以时间为横坐标，绘出的黑子分布图很像蝴蝶，因而称作蝴蝶图。^{[3]关于太阳黑子，中国有世界上最早的观测记录。大约在公元前140年前的《淮南子》一书中就有“日中有踆乌”的记述。现今世界公认的最早的太阳黑子记事，是载于《汉书·五行志》中的河平元年（公元前28年）三月出现的太阳黑子：“河平元年……三月己未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”这一记录将黑子出现的时间与位置都叙述得详细清楚。欧洲关于太阳黑子纪事的最早时间是公元807年8月，当时还被误认为是水星凌日的现象，直到意大利天文学家伽利略1660年发明天文望远镜后，才确认黑子是确实存在的。而在此之前，我国历史上已有关于黑子的101次记录，这些记录不但有时间，还有形状、大小、位置以及变化情况等等。难怪美国天文学家海尔会赞叹道：“中国古代观测天象，如此精勤，实属惊人。他们观测日斑，比西方早约2000年，历史上记载不绝，并且都很正确可信。”}

1843年，德国天文爱好者施瓦布通过自己1826年——1843年间的日常黑子观测，首次发现日面上黑子数量的多少存在11年左右的周期变化。

1848年，瑞士天文学家沃尔夫首次提出用黑子相对数（或叫做沃尔夫数）来表示里面可见半球黑子的多寡，其定义为R=K(10g+f)，其中g和f分别表示日面上出现的黑子群和黑子数目，K值则会因天文台的观测望远镜（口径和焦距）、观测方法（如目视还是照相）、观测地的天气条件（大气透明度和视宁度）以及观测者的情况（技术、经验和稳定度）而不同。对于固定的仪器和成熟的观测值，K值接近于常数。经过沃尔夫的搜集和整理，基本上不间断的每日黑子相对数记录可向前推到1818年，黑子相对数的月均值可推至1749年，年均值可向前推到1610年。

2012年10月21日，日本名古屋大学的研究团队宣布，通过分析太阳观测数据，发现在太阳北半球黑子数增加最显著的时期，太阳北极会出现磁场南北极反转的磁极颠倒现象。同样情况也在太阳南半球的南极发生。太阳的这种磁极颠倒状况与历史上若干地球变冷时期的相关太阳变化类似，但这是否预示地球在不久的将来将变冷还有待继续观察研究。

2020年12月，世界上最大的太阳观测站发布了有史以来最清晰的太阳黑子图片，在红色和橙色的暖色调下，人们可以看到太阳黑子活动的细节。^[7]

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太阳黑子回归，2025年迎来太阳活动高峰期！会对地球产生影响吗？

形成影响

太阳是地球上光和热的源泉，它的一举一动，都会对地球产生各种各样的影响。黑子既然是太阳上物质的一种激烈的活动现象，所以对地球的影响很明显。

当太阳上有大群黑子出现的时候，会出现磁暴现象使指南针会乱抖动，不能正确地指示方向；平时很善于识别方向的信鸽会迷路；无线电通讯也会受到严重阻碍，甚至会突然中断一段时间，这些反常现象将会对飞机、轮船和人造卫星的安全航行、还有电视传真等等方面造成很大的威胁。

黑子还会引起地球上气候的变化。100多年以前，一位瑞士的天文学家就发现，黑子多的时候地球上气候干燥，农业丰收；黑子少的时候气候潮湿，暴雨成灾。我国的著名科学家竺可桢也研究出来，凡是中国古代书上对黑子记载得多的世纪，也是中国范围内特别寒冷的冬天出现得多的世纪。还有人统计了一些地区降雨量的变化情况，发现这种变化也是每过11年重复一遍，很可能也跟黑子数目的增减有关系。^[3]

研究地震的科学工作者发现，太阳黑子数目增多的时候，地球上的地震也多。地震次数的多少，也有大约11年左右的周期性。

植物学家也发现，树木的生长情况也随太阳活动的11年周期而变化。黑子多的年份树木生长得快；黑子少的年份就生长得慢。

更有趣的是，黑子数目的变化甚至还会影响到我们的身体，人体血液中白血球数目的变化也有11年的周期性。而且一般的人在太阳黑子少的年份，感到肚子饿的较快，小麦的产量较高，小麦的蚜虫也较少。

与人患病

太阳黑子爆炸