太陽黑子是什麼?

太陽黑子是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動，是太陽活動中最基本，最明顯的活動現象。一般認為，太陽黑子實際上是太陽表面一種熾熱氣體的巨大漩渦，溫度大約為4500攝氏度。因為比太陽的光球層表面溫度要低，所以看上去像一些深暗色的斑點。太陽黑子很少單獨活動，常是成群出現。黑子的活動周期為11.2年，活躍時會對地球的磁場產生影響，嚴重時會對各類電子產品和電器造成損害。


黑子的特性
一個發展完全的黑子由較暗的核（本影）和周圍較亮的部分（半影）構成，中間凹陷大約500千米。黑子經常成對或成群出現，其中由兩個主要的黑子組成的居多。位於西面的叫做「前導黑子」，位於東面的叫做「後隨黑子」。一個小黑子大約有1000千米，而一個大黑子則可達20萬千米。

太陽黑子的形成與太陽磁場有密切的關係。但是他到底是如何形成的，天文學家對這個問題還沒有找到確切的答案。


觀測歷史
世界上最早的太陽黑子的記錄是中國公元前140年前後成書的《淮南子》中記載的。《漢書·五行志》中對前28年出現的黑子記載則更為詳盡。

1840年代德國的一位業餘天文學家發現了太陽黑子10─11年的周期變化規律。通過長期的觀測，人們還發現太陽黑子在日面上的活動隨時間變化的緯度分佈也有規律性。一開始，幾乎所有的黑子都分佈在±30°的緯度內，太陽活動劇烈時，它往往出現在±15°處 ，並逐步向低緯度區移動 ，在±8°處消失。在上一個周期的黑子還沒有完全消失時，下一個周期的黑子又出現在±30°緯度附近。如果以黑子的緯度為縱坐標，以時間為橫坐標，繪出的黑子分佈圖很像蝴蝶，因而稱作蝴蝶圖或芒德圖。許多專家對蝴蝶圖的含義進行了研究，但是直到現在還沒有確定的結論。


太陽黑子的周期性
天文學家對黑子活動從1755年開始標號統計，規定太陽黑子的平均活動周期為11.2年。黑子最少的年份為一個周期的開始年，稱作「太陽活動極小年」，黑子最多的年份則稱做「太陽黑子活動極大年」。

太陽黑子(sunspots)
太陽黑子 的主要性質：
-中心溫度較其他太陽表面低。
-中心的溫度約4000°K，與其他太陽表面對比較冷故呈黑色，但實際上單一黑子的照
度與滿月相去不遠。黑子的大小不一，最大者可達地球直徑的兩倍。
黑子常成群出現。
多數太陽黑子成群結隊隨太陽自轉移過日面，每群黑子中通常有前導和後隨黑子之分。早在珈利略時代就己發現觀測黑子在日面的的運動，可以找出太陽的自轉週期。黑子持續約數日至數月不等。前導黑子和後隨黑子的磁極性相反，南、北日球黑子群的極性也恰好相反。
黑子與太陽磁場的分佈有關。
美國天文學家Hale 在1908 年，利用Zeemann 效應所造成的太陽鈣元素之光譜線分裂，來測量太陽表面的磁場。發現太陽黑子處的磁場約為太陽表面平均磁場的數百倍。
太陽黑子週期約為11 年。
如取過去世界各地所觀測黑子的平均數目，對年份作圖，即可看出太陽黑子的週期性變化。每一黑子週期長者可達13.3年，短的只有7.3年，而平均值是10.8 年，所以現在最常被引用的黑子週期為11 年。
太陽的磁週期約為22年。
如果在前一個太陽黑子週期中，北日球的前導黑子磁極性為N，則後隨黑子的磁極性必為S。而此時在南日球的前導黑子與後隨黑子的極性與北日球完全相反。
而在下一個黑子週期中，北日球的前導黑子磁極性為S，後隨黑子的磁極性為N ，南日球黑子群的極性也與前一週期相反。太陽磁週期為黑子週期的兩倍約為22年。
太陽黑子的分佈–Maunder蝴蝶圖(Maunder butterfly diagram)
如以年份為橫軸，而以黑子出現的緯度為縱軸，畫出太陽黑子分佈圖，天文學家發現太陽黑子週期開始時，黑子主要出現在南、北緯約35°處，而在週期結束時，黑子通常出現在南、北緯約5°處。在同一週期中黑子的分佈形狀像一隻蝴蝶，稱為Maunder蝴蝶圖。
太陽黑子的成因
一般認為太陽黑子和其活動性，起源於熱對流與各部份的較差自轉，但完善的理論仍缺如。在1960年美國天文學家Babcock提出一個很簡單的模型，來解釋部份太陽黑子週期的特性。
Babcock理論：
太陽赤道部分的轉速(自轉週期約25天)，較南北極部分的轉速(自轉週期約35天) 快，由於旋轉速度的差異性，造成磁力線的糾結。太陽內部的擾流將此磁力線糾結部分浮出太陽表面而形成所謂的太陽黑子。
磁力線的糾結，從高緯度開始，到了低緯度已是糾纏的太厲害，造成磁力線斷裂，磁場南北極互換，再開始另一次的太陽黑子週期。

太陽黑子
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太陽黑子是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動，是太陽活動中最基本，最明顯的活動現象。一般認為，太陽黑子實際上是太陽表面一種熾熱氣體的巨大漩渦，溫度大約為4500攝氏度。因為比太陽的光球層表面溫度要低，所以看上去像一些深暗色的斑點。太陽黑子很少單獨活動，常是成群出現。黑子的活動周期為11.2年，活躍時會對地球的磁場產生影響，嚴重時會對各類電子產品和電器造成損害。


黑子的特性
一個發展完全的黑子由較暗的核（本影）和周圍較亮的部分（半影）構成，中間凹陷大約500千米。黑子經常成對或成群出現，其中由兩個主要的黑子組成的居多。位於西面的叫做「前導黑子」，位於東面的叫做「後隨黑子」。一個小黑子大約有1000千米，而一個大黑子則可達20萬千米。

太陽黑子的形成與太陽磁場有密切的關係。但是他到底是如何形成的，天文學家對這個問題還沒有找到確切的答案。


太陽黑子形成原因

至於太陽黑子的活動性根源是什麼？到目前為止，還沒有一個非常完善的理論可以來完美的解釋黑子的形成，但是已經可以發現有一個大而較簡化的模式來略加解釋，並而從中引導出舊理論，及之後新理論的建立。一般認為太陽黑子和其他活動性都起因於熱對流和各部份自轉速度不同。 可以設想在太陽上原來存在南北兩個磁極,在對流層裡面行成的經向磁場。太陽物質的不同部位以不同轉速運動(這稱為差動旋轉),赤道附近自轉較快靠近及區轉得較慢。於是“凍結”在太陽物質裡的磁力線就會逐步被拉長並環繞太陽,帶有緯向成分。經多次纏繞之後緯向成分愈來愈強。磁場強度與磁力線的密度成正比,在多次纏繞之後太陽物質裡的磁場基本變成緯向而且強度大為增加。磁力線之間互相有斥力,磁場加強時斥力愈來愈強。既然磁場“凍結”在太陽物質裡面,磁力線的斥力就給太陽物質加上一種膨脹壓力,通常稱為磁壓。在太陽內部對流層內,由於不均勻性,各處的氣體壓力並不完全相同,如果某處磁壓超過氣壓,這一團物質就會膨脹,結果會像水裡的氣泡一樣受到上浮力的作用向表面升起,最後連磁力線帶物質都冒出太陽表面。在磁力線集中穿過對流層頂部進入光球的地方就會形成黑子。在磁力線集中和穿入的部位形成的黑子分別為N極性和S極性。且赤道兩側的磁力線走向正好相反,所以在南半球和北半球形成的黑子對的極性也相反。

由左到右可見磁力線纏繞的情形，及南北半球黑子的極性相反。





黑子的形成週期

◎ 太陽黑子週期約為11年：

§ 如果拿過去世界各地所觀測黑子的平均數目，對年份做圖，可以看出太陽黑子週期性的 變化。每一個黑子週期常可達13.3年，短則只有7.3年，平均10.8年。而現在最常被引用的太陽黑子週期為11年。

在一個太陽活動週期裡，黑子出現的位置會變化。率先在新週期出現的黑子位置往往在緯度約30度至35度之間，然後隨黑子數增加，出現的位置向低緯度區發展。待到大部份黑子都出現在10度至20度緯度區時，黑子數就開始減少，最後黑子都出現在靠近太陽赤道附近，數量也減到最低。這時下週期的黑子就在高緯度區出現，而它們的極性卻和即將結束的週期相反。黑子的緯度分布隨時間的變化畫在一張圖上有點像蝴蝶的翅膀，被稱為「蝴蝶圖 」。



Maunder蝴蝶圖

◎ Maunder蝴蝶圖是Maunder在1904年第一次建構此類型的圖而得名。

◎ Maunder蝴蝶圖是以年份為橫軸，以黑子出現的緯度為縱軸所畫出來的太陽黑子分布圖

◎ Maunder蝴蝶圖週期的成因：黑子首先在高緯度磁力線易纏繞扭曲的地方形成，然後低緯區的磁力線較慢扭曲成結，所以低緯區的黑子較晚形成。週期開始時黑子主要出現在南北緯 35°，週期結束時約在南北緯5°。



黑子的磁場週期

磁場週期：22年

§ 就一群黑子而言，先出現的黑子叫「前導黑子」，後出現的叫「後隨黑子」。

§ 成對的黑子磁場極性相反，磁力線從一個黑子穿出，進入另一個黑子。如果前導黑子是S極，後隨黑子就會是N極；前導黑子是N極，後隨黑子就是S極；且南、北半球黑子的磁性不同，北半球的前導黑子是N極，後隨黑子是S極時，南半球的前導黑子就是S極，後隨黑子是N極。同一週期裡的情況不變，在下一週期情況則相反。

§ 當磁場因差動旋轉而扭曲嚴重而破滅後，會重新組合，但此重新排列的方式使磁場極性顛倒，在新的週期磁場南北極性互換。所以若考慮磁場極性互換，則真正的完整週期應該是22年。

太陽黑子對地球上的影響
在討論到黑子對地球的影響時，發現除了我們較熟悉的會影響到部分地面通訊外，還找到了黑子可能與氣候、水文、甚至地震有關係的報告，不過這些靠統計所提出的觀點，因牽涉到太陽活動性的規律及日地關係的問題，至今尚無一個確切的解釋。因此，我們僅將數個據信度較高〈也就是資料較多的〉的理論列出。

1.對中、短波無線電的影響
在離地面六十公里以上的高空，那裡空氣非常稀薄。由於太陽微粒的照射和流星體的撞擊，氣體的分子和原子部分電離，形成大氣層中特殊的一層------電離層。電離層有一個特性，它可以反射和散射無線電短波。

一個電台通過天線向四面八方發出無線電波，這些電波一部分沿著地面傳播叫地波,另一部分向天空發去叫天波。地波在傳播過程中受到地面物的吸收，能量逐漸剪弱，波長越短，這種衰減越快，所以地波傳播的距離不遠。正好電離層有反射無線電短波的特性，天波在電離層和地面之間進行多次反射,能將無線電短波傳向方，實現了遠距離通訊。但是波長過短則會穿透電離層，射向宇宙空間，不再反射到面。電離層所能反射的最高頻率叫臨界頻率。所以每當太陽上黑子增多和有耀斑、日珥等現象時，太陽的微粒突然增大，電離層的結構發生變化，稱為電離層爆炸或電離層騷擾。所以， 在太陽黑子極大期幾年，電離層會因太陽帶來的紫外線和X射線增強在幾秒中內自由電子數急速增加至10 的9次方/每立方公尺，而被嚴重擾亂。在這種情況下臨界頻率也隨之迅速變化，造成通訊混亂， 引起中、短、超短波傳送路徑嚴重衰減(fedeout)而斷訊，如地面的業餘無線電、高頻通訊及衛星通訊，嚴重時，地球白天通訊大範圍斷訊，甚至衛星被太陽高能量電離子的脈衝所破壞，此為太陽電離風暴(Ionospheric storm)。

中、長波是靠地波傳播的,所以電離層騷擾對它們的影響不大。

2.黑子對地球上氣候的影響
太空環境是否會影響我們地表的天氣變化，這也是一個令人感到好奇的話題。有人由統計上的結果提出一項說法，認為地球上的天氣變化會受到「太陽黑子」出現量的影響，而有十一年的週期變化。但是不少氣象學家卻認為太陽黑子的出現對日照量的影響微乎其微，因此不應該影響到地球上的天氣變化。至於統計上的結果，應該只是一種巧合。可是太空物理學家對於這項統計結果，卻有不同的看法。事實上太陽黑子數目多時，「白斑」的數量也相對增加，因此總日照量反而隨著「太陽黑子」數目的增加而增高。但是問題的癥結，不是在「日照量」，而是在「成雲量」。由於「太陽黑子」數目增加會導致太陽表面磁場擾動量的增大，許多「日冕物質噴發」，在日磁層中造成大量的「磁雲」，磁雲中旋轉的磁力線可阻擋外太空超新星爆炸所產生的「宇宙射線」進入地球所在之日磁層內部。反之，隨著「太陽黑子」數目減少，太陽表面磁場擾動量以及日磁層中的磁雲量也隨之減少。於是來自外太空宇宙射線便得以長驅直入，進入我們的磁層、電離層、以及中性大氣中。這些帶電的宇宙射線是一種相當好的「凝結核」，因此雲很容易就形成了。雲除了造成降雨和雪外，同時也反射陽光，使得地面氣溫下降，因此「太陽黑子」數目最少的那幾年，地球上平均溫度會下降，發生水災和大風雪的機會也同時增加。這個結果也說明了太空物理學家對太陽黑子、日冕物質噴發、以及日磁層中磁雲的研究有助於人類對影響地球氣候因子的認識。