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太阳上的“蝴蝶图”

2019-10-11 太阳系

太阳上的“蝴蝶图”
这是一张非常漂亮的图:一对美丽的蝴蝶排着整齐的队伍,正在翩翩起舞。
但如果你知道这群“蝴蝶”是来自于太阳,你一定会大吃一惊。太阳上怎么会有蝴蝶呢?这当然不会是真的蝴蝶,而是太阳黑子周期性变化的一张示意图。
我们的祖先很早就发现太阳上有黑子,甲骨文中的太阳就被写作“⊙”,后来逐渐演变成今天的汉字“日”。现在“⊙”是全世界的天文学家用来表示太阳的标准符号。太阳是一个炽热的巨大火球,但我们的祖先却永圆圈中间加一个点来表示它,说明在几千年前,我们的祖先就用肉眼看到了太阳黑子,即太阳表面的小斑点,并用来描述太阳了。
人类关于太阳黑子的第一次文字记载,出现在约两千年前的《汉书·五行志》中。在西方,由于宗教神权的影响,人们长期把太阳当作纯洁、神圣的象征,不能容忍它有任何污点和不洁。因此,在望远镜刚刚问世不久的 17 世纪初,当意大利著名科学家伽利略首次用望远镜记录下太阳黑子时,他都没敢马上公布他的发现。
我们知道,一列几十节长的货运列车,可以装载数千吨货物。那么,请想一下下面的场景:几十万列这样的列车一列列的排成方阵,铺满了整个京津地区,它们的总重量有数亿吨之巨。可是,1 秒钟之后,它们全被抛到了上海附近。这可能吗?在我们生活的地球上,这的确不可能,但是太阳就这能耐。天文学家在 70 年代发现了一种新的太阳活动现象:日冕物质抛射。太阳磁场会把数亿吨重的气体以高达每秒 1000 千米的速度抛离太阳,进入星际空间。
那么,太阳磁场为什么有这么大能耐呢?原来,太阳也是一个大磁体,但不同于地球磁场的是,太阳两级处的南北磁极每 11 年左右就要反转一次,具有周期性。 而太阳磁场是在太阳内部辐射层和对流层之间的薄区域里产生的,它们穿过太阳表面而爆发,产生种种太阳活动现象。例如,太阳黑子就是太阳磁场穿过被称为光球的太阳表面造成的。太阳黑子数在每 11 年里由少量到很多,呈波浪式变化,形成我们刚才提到的黑子分布“蝴蝶图”。太阳的磁场在黑子出现最多的时候发生反转,这个时候太阳活动非常剧烈,会频繁发生太阳耀斑,也就是通常所说的大爆炸现象,大爆炸产生的能量极大。这些太阳活动对地球附近的空间环境产生着极大的影响,特别是对航天、通信、供电等部门的正常运转构成威胁。
尽管现在人们已经知道磁场在太阳活动中起着至关重要的作用,但是,为什么太阳会有 11 年的活动周期?什么样的磁场结构和变化导致耀斑和日冕物质抛射?它们又是如何影响空间环境的  这些仍然是摆在科学家面前的未解之谜。目前,科学家们已经发射了许多颗空间探测卫星来寻找这些问题的答案。