變化莫測的太陽黑子
太陽是一顆會改變的星體,它的表面持續改變著,而太陽活動最明顯的特徵就是太陽黑子,和磁場有關,也影響極光出現的頻率。太陽黑子,古時稱為金烏,是太陽表面局部磁場較強的地方,溫度較低故較周圍黑暗。
 
 
太陽
太陽
太陽黑子是太陽光球表面上最明顯的現象,美國天文學家海爾 (George Zllery Hale, 1868-1938)於西元1908年發現太陽黑子和磁場有關。太陽黑子是太陽表面局部磁場較強的地方,溫度較低故較周圍黑暗。

電場和磁場對運動中的帶電質點如質子或電子的作用力,稱為勞侖茲力,根據勞侖茲力公式可知,離子的運動會受磁場拘束。太陽黑子多時,發生閃燄、噴發日珥的機會就多,但太陽黑子少時,仍然會有日珥產生。地球上極光出現的頻率,也受到太陽黑子數目變化的影響。
太陽黑子的光球盤面照片,2001年正是太陽黑子高峰期。
太陽黑子的光球盤面照片,2001年正是太陽黑子高峰期。

日中有三足烏

太陽是不是天上一個穩定而完全不變的物體呢?事實上,太陽是一顆會改變的星體,它的表面持續改變著,而太陽活動最明顯的特徵就是太陽黑子。太陽黑子是太陽表面較冷而暗的區域,黑子的中心區域稱為本影,比起其邊緣的半影來說是較為黑暗的。太陽黑子平均大小大約是地球直徑的兩倍,並且可以持續存在1星期左右。太陽黑子常常成群地出現,一個較大的黑子群可以包含多達100個黑子,並且能持續存在於光球表面兩個月或更久。

太陽上有黑子,古時稱為金烏。直接用肉眼觀測太陽可能會傷害眼睛,必須十分小心。大型的太陽黑子有很大的面積,在夕陽西下的黃昏或旭日東升的早晨,或是因為雲層的減光而使太陽光輝暗淡時,就成了肉眼可觀察到的黑子了。早在西元前5世紀,中國人就用這種方法觀察到太陽黑子。因此,在沒有望遠鏡的時代,也有太陽黑子的觀察紀錄。例如,西漢劉安等集體編寫的《淮南子‧精神訓》中有「日中有踆烏」的記載,而東漢王充的《論衡‧說日篇》則提到「日中有三足烏」。

太陽黑子看起來暗,是因為它們比光球層冷的緣故。光球層的溫度大約是絕對溫度5,800度,而一個太陽黑子中心部分的溫度比正常表面低1,500度,所以較冷的黑子相形之下看起來黑暗。事實上,太陽黑子仍然有相當多的輻射。假設太陽被魔術般神奇地移去,而只留下太陽黑子,這黑子將發出明亮的光輝,並且會比滿月還亮。

伽利略的望遠鏡

西元1610年,伽利略把他的望遠鏡轉向太陽,發現太陽黑子是太陽表面非常普遍的現象。他的觀測結果顯示,太陽以某個周期繞著它的軸自轉,而這個周期從地球上看來大約是27天。從伽利略有望遠鏡以來的三、四百年,太陽黑子持續地被觀測。

如果天氣狀況許可,注意安全,小心地使用望遠鏡,每天持續觀察太陽光球盤面上的黑子,會發現太陽黑子會移動,這說明了太陽會自轉。太陽黑子在太陽赤道地區移動的角速度比在高緯度地區快,太陽的自轉周期,在赤道地區約25天,而在高緯度地區則可達33天。

黑子數量的周期性變化
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德國業餘天文學家施瓦貝(Heinrich Schwabe, 1789-1875)是位藥劑師,他於1843年公布他的發現:太陽黑子數目有時候極少、有時候極多,而每隔11年就會出現一次太陽黑子極大期。這是他在17年中幾乎逐日觀察太陽光球盤面之後的成果。

從西元1700年到西元2005年有約28個太陽黑子數目變化周期,因此可知太陽黑子數目的變化周期大約是11年。但實際上太陽活動周期並非完全是11年,在近代,這個周期可以短至9年,也可以長至14年。

當太陽進入活躍期的時候,待在外太空的太空人是比較危險的,人造衛星也是。太陽活動最頻繁時稱為太陽活動極大期(solar maximum),黑子大量地出現;太陽活動最寧靜時稱為太陽活動極小期(solar minimum),幾乎沒有黑子出現。最近的一次太陽黑子極大期發生於西元2001年。

目前的太陽處於第23個太陽黑子周期。國際上規定從西元1755年極小期起算太陽活動周期,因此第1個太陽黑子周期開始於西元1755年3月,結束於西元1766年6月。第21個太陽黑子周期開始於西元1976年6月,第22個周期開始於西元1986年9月,第23個周期則開始於西元1996年5月。西元1700年以後的27個太陽黑子極大期,平均有100顆左右的黑子,在極小期時則只有幾顆而已。

太陽的偶極磁場

聚集在太陽極區的日冕等離子體電漿,由起著側壁作用的磁場維持其流體靜力學平衡,而形成極羽,呈羽毛狀,在太陽活動極小期極羽特別明顯。極羽和磁力線的相似性說明太陽有極性磁場,並可據此畫出太陽的偶極磁場。太陽活動極大期時太陽磁場有逆轉的變化,擾動本身的磁場產生黑子,而弱化了其原有偶極磁場的強度,因此太陽黑子極大期時極羽不明顯。

太陽如地球一樣具有磁場,且有磁南極與磁北極之分,也如地球磁場一樣有逆轉的現象發生。根據SOHO太陽觀測衛星的資料,從2000年3月起,將近1個月的時間裡,太陽發生了「雙北極」(two North Poles)的現象。在這一段時間裡,太陽的磁南極逐漸衰弱,而在磁南極的位置上卻「浮出」了磁北極,使得太陽出現了「雙北極」的奇異現象。2000年5月,太陽的磁南極再出現在其應該出現的位置。2001年,太陽磁場完全翻轉,兩磁極的位置整個互換,直至今日。

太陽黑子極大期時,太陽偶極磁場會發生逆轉的現象,這時也是太陽表面活動最劇烈且頻繁的時候。

軌道脫離黃道面的「尤利西斯號」(Ulysses)太陽探測船,在1994~1995年第一次經過太陽的兩個極區,時逢太陽活動極小期。之後在2001~2002年再度經過太陽兩個極區,時逢太陽活動極大期。2006年,太陽活動極小期再次發生的時間,「尤利西斯號」又會飛越太陽兩個極區。

太陽輻射

太陽黑子的11年周期變化與太陽紫外線輻射量的變化,有很大的相關性,在200nm波段附近的變化量可達6~8%,而這個波段對於地球臭氧層的形成很重要,這樣的變化量足以影響上部平流層的溫度。

怎樣測量太陽給地球的能量,即如何測量太陽常數(solar constant)?在1837年,英國的約翰.赫協爾(John Herschel,天王星發現者威廉.赫協爾的兒子)和法國的鮑伊萊(Claude Servais Mathias Pouillet, 1791-1868)試圖測量太陽所釋出的能量,他們估計在地球大氣層外、離太陽一個天文單位的位置上,每平方公分每分鐘所接收到的太陽熱量大約是2卡,人們就把這個數值稱作太陽常數。

太陽常數會隨著太陽黑子相對數而變化,大約11年的太陽黑子活動周期,會使得到達地球的陽光量相差約有0.1%。目前的太陽常數是每平方公分每分鐘有1.95卡的輻射量,或是每平方公尺有1,360瓦特的太陽能。人造衛星的觀測資料顯示,太陽常數在最近的兩個太陽活動周期中,相較於它大概的平均值1,366 W/m2,有0.1%或是1.8W/m2 的變化。

平均而言,在太陽黑子極小期的西元1986年,人造衛星測得的太陽常數是每平方公尺1,365.5瓦特,而太陽黑子極大期的西元1989年,測得的是每平方公尺1,367.3瓦特,再一次的太陽黑子極小期的西元1996年,則又是每平方公尺1,365.5瓦特左右。太陽黑子少時,太陽常數較小,而太陽黑子多時,太陽常數則較大。太陽活動與太陽黑子數目多寡呈現正相關。

蒙德蝴蝶圖

依據太陽黑子相對數逐年的變化,太陽黑子周期開始於極小期,經歷過一個極大期,結束於鄰近的一個極小期,然後再繼續另一個11年的太陽黑子周期(施瓦貝周期)。

英國天文學家蒙德 (Walter Maunder, 1851-1928)發現,黑子的位置變化也有相同的周期。在周期開始時的極小期,黑子都出現在太陽緯度30°N或30°S的地方,後來黑子會逐漸靠近赤道。黑子極大期時,黑子則出現在10°N~20°N或10°S~20°S的太陽光球盤面上。周期結束前的黑子,則會出現在赤道附近。而新的下一個周期開始時,黑子會再次在30°N或30°S處出現。如此,每個11年的太陽黑子周期,就可以畫出一隻蝴蝶來。

太陽黑子磁場的變化

如果順著太陽自轉的方向看,成對出現的太陽黑子可分為在前的前導黑子及在後的尾隨黑子。在太陽北半球,如果前導黑子的磁場極性是N極,尾隨黑子的磁場極性就是S極;而在太陽南半球則相反,即前導黑子的磁場極性是S極,而尾隨黑子的是N極。在下一個周期中,太陽黑子群對的磁場極性會發生反轉,南北半球黑子群對的磁場極性互換。因此,在考慮磁場的因素時,黑子的周期就應該是22年。

太陽表面黑子群對的磁場極性反轉,發生於太陽黑子極小期的時候,也就是在太陽黑子數目變化新周期的開始時。像地球有全球性的偶極磁場,太陽也有全球性的偶極磁場,而太陽偶極磁場極性的反轉,則發生於太陽黑子極大期的時候。太陽表面黑子群對的磁場極性的反轉,與太陽全球性偶極磁場的反轉,有著相位差,並不是同時開始,但其磁場極性變化都同樣有著約22年的周期。
日全食
日全食

誌謝

感謝臺北天文館前展示組組長陶蕃麟先生提供意見,使得本文能夠順利完成;還有臺北市南湖高中的吳昌任老師提供今年3月29日到北非利比亞所拍攝的日全食照片,能看到太陽日冕的細緻構造;以及臺北天文館太陽觀測攝影小組提供太陽光球盤面的照片。也感謝英國的Peter Meadows 及NASA 的Dr. David H. Hathaway 友善提供相關圖片。

名詞解釋

[ 1 ]  臺北天文館 臺北市立天文科學教育館,簡稱臺北天文館,是設在臺北市的一所傳播天文知識的科教機構。它的前身是公會堂天文臺,創設於1938年(臺灣光復後,公會堂改稱為中山堂),是擁有一座4英寸折光式赤道儀的小型圓頂觀測臺。其後臺北市政府另在圓山新建天文臺,於1963年啟用。

圓山天文臺除平時開放供民眾參觀外,也進行太陽黑子等天文觀測業務,同時出版《太陽黑子觀測報告》等天文刊物,進而與世界各國天文臺合作交換觀測資料。有鑑於圓山天文臺的天象館已不敷運用,於是在士林區基河路興建大型天文科學教育館,已於1997年啟用,仍然繼續進行太陽黑子觀測及出版其觀測報告。

[ 2 ] 太陽黑子相對數 蘇黎世黑子相對數 Z = k(f + 10g),g 是黑子群的數目,f 是黑子的總數,k 是觀測者的估計效率,或依觀測數據的品質而定出的常數。k 通常小於1,因為目前觀測者使用的口徑都大於8公分,以口徑8公分的折射鏡,投影10公分直徑的太陽像觀測時,k 值應為1。蘇黎世黑子相對數也稱為沃爾夫數(Wolf number)或簡稱黑子相對數(relative number)。

[ 3]太陽常數 太陽常數的定義是在距太陽1天文單位處,與太陽光線方向垂直的單位面積在單位時間內所接收到的太陽總輻射能。在地球表面上的測量須考慮大氣影響和太陽距離季節變化的修正,太陽常數的值大約是每平方公分每分鐘2卡或每平方公尺1.8馬力。太陽常數隨太陽活動略有變化。

深度閱讀
  1. 周體健(民84)簡明天文學,頁187-194,凡異出版社,新竹。
  2. 高銘鴻(民93)天文年鑑2005,頁68-73,臺北天文館,臺北。
  3. 張桂蘭(民92)恆星區文字導覽手冊,頁67-74,臺北天文館,臺北。
  4. Fix, J. D.(2001)Astronomy: Journey to the Cosmic Frontier, 2nd Ed. updated, pp. 404-407. McGraw-Hill, New York, NY.
  5. Seeds, M. A.(1997)Foundations of Astronomy, 4th Ed., pp. 154-166. Wadsworth Publishing Company, Belmont, CA.
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