太阳活动周的发现史

         太阳如今正处于第24活动周。近日，美国宇航局表示自2011年末出现一系列耀斑和喷发物之后，近期太阳或将进入这一活动周的活跃期。那么，太阳活动周是如何确定的？它最初是怎样被发现的呢？

太阳黑子与太阳活动周

太阳活动周期，又称为太阳磁活动周期，是太阳黑子数及其它现象的准周期变化，大约每11年为一个周期。从2008年初开始，太阳进入了第24活动周。

太阳黑子是太阳活动最显著的特征，也是太阳磁场存在的直接证据。太阳黑子大多成群出现，每个黑子群由几个到几十个黑子组成，最多可达100多个。黑子大小不一，小的黑子直径约有1000千米，大的黑子约有20000千米，特大的太阳黑子直径甚至可达245000千米，相当于地球直径的19倍！

黑子的形状像一个暗的浅碟，中间凹陷。发展完全的黑子分本影和半影两部分，黑子中间的暗核部分叫做本影，本影周围较浅的边框叫做半影。本影是黑子的核心，黑子的亮度约是光球亮度的三分之二。

1874年，英国皇家格林尼治天文台（RGO）利用南非好望角、印度南部城市Kodailkanal和毛里求斯的观测站组成一个太阳黑子的观测网络，留下了迄今最长、最完整的黑子记录，其中包括每个黑子的面积、经度和纬度等等。

在欧洲，1610年之后一些天文学先驱们，如著名的伽利略，已经开始用望远镜观测太阳并记录黑子。从这些记录中不仅可以得到黑子的数目，还可以得到黑子的面积，甚至可以区别黑子的本影和半影。

太阳活动周的发现

1843年，德国业余天文学家、药剂师施瓦贝（S.H.Schwabe）最先发现了太阳活动周期。起初，施瓦贝只是希望在太阳附近发现一颗新的行星，在它从太阳圆面前方经过时候“逮住”它。1826年，他开始用一架小望远镜注视太阳，但除了注意到太阳黑子外，其余什么都看不见。之后，施瓦贝开始放弃寻找行星而专注描绘黑子，并一直坚持了17年。在这些年的详细观测中，施瓦贝发现，每经过大约10年，就会出现黑子数目增加的现象，经过了极大期，太阳黑子数又进入极小期，太阳表面几乎没有黑子。这样，每约10年就是一个太阳活动周。1 843年，施瓦贝把一篇题为《1843年间的太阳观测》的论文，投到德国《天文通报》，起初并未被发表，1851年，施瓦贝的发现才终于被公之于世。

十九世纪中期，时任瑞士苏黎世天文台台长的沃尔夫（J.R.Wolf）读了施瓦贝的论文后，开始用望远镜观测太阳黑子。除进行观测外，还搜集整理了此前太阳黑子的观测资料，其中包括伽利略及其同时代观测者留下的。经过整理，可供研究使用的每日太阳黑子数记录可推前至1749年，年平均值资料可推前至1610年。

沃尔夫在搜集整理太阳黑子数观测资料的过程中，为使不同观测台站以及不同人的太阳黑子观测资料具有可比性，于1848年提出了“太阳黑子相对数”的概念。具体表示为R=K（10g+f），式中R为黑子相对数，g为日面上观测到的黑子群数目，f为观测到的单个黑子的总数，K为转换因子。K值可随观测者所在地点、所用仪器、观测方法、观测技术和天气能见度而异，目前国际上一般将此值设为1。“太阳黑子相对数”可以通过观测到的单个黑子数、黑子群数，以及表征观测时的天气和所用的仪器等因素的系数来计算。当然，这个参量只能表示太阳对着地球这一半黑子的活动情况。

经过几年仔细观测和精心的资料整理，沃尔夫发现太阳黑子数的平均变化周期为11.1年。观测到的最短黑子周期为9年，最长黑子周期为14年。到1 852年，他还发现地磁活动和极光与太阳活动有关。沃尔夫提出将太阳黑子数从一个极小到另一个极小之间的时间定为一个周期，并将1755年至1 766年的周期定为第一个太阳活动周。

长期积累的黑子观测资料显示，太阳黑子活动的强弱存在周期变化，周期短则9年，长则1 3.6年，平均为1 1年。在开始的几年时间里，黑子不断产生，活动越来越加剧，黑子数达到极大的年份称为太阳活动峰年；在随后的几年中，黑子活动逐渐减弱，黑子变少，黑子极少的年份就称为太阳活动谷年。国际天文学界规定，以1 755年作为太阳黑子周期的开元年，从1755年3月到1 766年为第一个太阳周期。一个太阳活动周期开始和结束的标准是：每月太阳黑子相对数的平滑值达到极小值。从1 766年以后，按11年周期排列序号。

从2008年开始，太阳进入第24活动周，专家预测，今年或明年将是第24活动周的太阳活动峰年。在峰年这段时问，除了黑子群在日面上的数量增多，太阳黑子相对数R增加外，其纬度分布也会从活动周开始时的位置向低纬度迁移。此外，太阳的各种活动也会在太阳峰年期随着黑子数的增加而发生相应的变化，并经常有太阳耀斑爆发等现象出现，这会对地球产生较大的影响。

在19世纪中期的时候，英国天文爱好者卡林顿（R.C.Carrington）致力于太阳黑子的观测。卡林顿追踪太阳黑子在整个为期11年的活动周期内的变化，发现不仅黑子的数量产生变化，而且黑子分布的位置也会向太阳的赤道移动。

同一时间，与卡林顿一样进行太阳周期规律研究的还有德国天文学家斯波勒（Gustav Spoerer）。经过长期观测，斯波勒发现在新的太阳活动周开始时，黑子群出现的位置分别在太阳南北半球纬度30°至45°附近，随着太阳活动周的进展，黑子群出现的纬度位置逐渐向赤道靠近。在太阳活动极大年附近，黑子群一般出现在15°附近。在太阳活动周的末尾，黑子群一般出现在8°附近。在每个太阳活动周即将结束时，新周期的黑子群已经开始在高纬度出现，旧太阳活动周的黑子群仍在低纬度出现。新周期和旧周期黑子群同时出现的局面大约可持续一年左右的时间。太阳黑子出现纬度的位置随太阳活动周发展而变化的规律，称为斯波勒定律。

太阳黑子有很强的磁场，一般来说，一个太阳黑子群中有两个主要黑子，它们的磁极性相反。在同一个半球，各个黑子群的南北极性分布状况是相同的。例如第22太阳周，北半球黑子群的先导黑子一般为南极，后随黑子为北极，即成对的黑子沿东西排列，分别为南极与北极，南半球相反。太阳南北两个半球，偶极黑子的极性秩序相反，在下一个黑子周，这种关系会颠倒。因此，一个完整的太阳磁活动周期是22年，称为磁活动周。

由于研究活动周用黑子数的月平均平滑值，并且黑子数的未来变化也很复杂而难以推测，前一活动周结束和后一活动周开始的划界不是很清楚的，常有几个月的重叠，在反常情况下甚至有1年～2年的重叠。第23到第24活动周的转变就是这样的反常情况，在2008年1月看到在日面北半球中纬新出现的黑子群的磁极性变了，因而认为第24活动周开始了。然而，从黑子数来说，直到2009年8月才达到了极小。

太阳活动的超长周期

太阳活动除了明显存在的约11年周期外，是否还存在其它更长的周期，一直是许多学者探讨的课题。早在1862年，沃尔夫根据当时可供利用的黑子记录，就曾指出太阳活动可能存在由7个太阳活动周组成的78年周期。从黑子11年周期变化曲线上可以直观看出，一般在连续3、4个11年高峰后便接连3、4个11年低峰，总共持续的年数近于一个世纪，这一时间段也被称为世纪周期。

20世纪中叶，格莱斯堡（W.Gleissberg）取黑子1 1年周期的极大值的百年平滑值进行分析，显示平滑值的变化曲线有着明显的周期性，极大值位于第3周和第9周，极小值位于第6周和第1 4周，所以有人亦将此周期称为格莱斯堡周期。

不过由于研究者所取方法不同，世纪周期的起止年份也不同。根据绍夫（J.Schove）收集、整理的古代黑子资料分析，世纪周期最短的只有40年，最长的可达1 20年。而且世纪周期越强，它的上升期也越长。太阳活动世纪周期反映了太阳活动平均强度的变化规律。

还有许多作者根据各种时段的黑子相对数年均值曲线，用数学分析方法进行处理，得到其它一些周期，但都不是很可靠。即使是80年周期，因为仅仅只有两个多周期的结果，也不能完全肯定。另外两个问题是，太阳活动除了周期性变化外，是否还有其它不规则变化，以及太阳活动的1 1年周期这一重要特征是否长期以来总是如此，或仅仅是太阳在某一阶段的特征，也值得探讨。但由于近代用望远镜观测太阳黑子的可靠记录只有300多年，因此要探讨太阳活动的超长期变化，只能借助于一些其它的途径。

极光是由太阳耀斑等发射的高能粒子流轰击地球大气后，引起大气原子和分子激发产生的，因此地球上每年极光发生频数与黑子相对数年均值存在强相关。绍夫曾于1962年根据欧洲以及中国、日本等东方国家历史的极光记录，整理发表了自公元前500年至1959年间每十年发生的极光频数，分析结果显示，2000多年来的太阳活动变化中，除了1 1年周期外，似乎还存在着长度约为200年的双世纪周期，即偶数世纪的活动强于奇数世纪。又因为这个周期和八大行星的会合周期接近，所以有人又称之为太阳活动的行星周期。

另外一种可以用于探讨太阳活动超长期变化的资料，是古树年轮中的同位素碳14的含量。资料分析显示，太阳活动水平并不是平稳和均匀变化的，而是经历过一系列的极大期和极小期，然而这些极大期和极小期的分布还看不出明显的规律性。

目前太阳活动正处在大约从1 800年开始的“现代极大期”，而离此最近的是两个极小期和一个极大期，它们是1 460年～1 550年问的“斯波勒极小期”和1 645年～1 71 5年间的“蒙德极小期”，以及1110年～1 260年问的“中世纪极大期”。