太阳的变化 - 太阳风暴
前言
从20世纪70年代起，地磁抽搐频率加快、磁极移动速度加快。而且，地球磁层是一个高度动态的结构，会随太阳风动态压力和星际磁场(IMF)方向的变化而急剧变化。NASA警告2013年可能会出现超级太阳风暴，那会达到什么程度？对地球又有怎样的影响呢？下面我们就来看一下太阳风及星际磁场等方面都有怎样的变化。
目录
1、太阳结构 (Solar Structure)
1.1 太阳内部(Solar Interior)
1.2 太阳对流区以外部分(Visible Sun)
2、太阳活动 (Solar Activity)
2.1 太阳黑子(Sunspot)
2.2 太阳耀斑(Solar Flare)
2.3 日冕物质抛射(CME, Coronal mass ejection)
2.4 太阳风(Solar Wind)
3、太阳磁场 (Solar Magnetic Field)
3.1 星际磁场 (IMF, Interplanetary Magnetic Field)
3.2 磁波与行星轨道(Magnetic Wave & Planetary Orbits)
4、太阳周期 (Solar Cycle)
4.1 黑子周期 (Sunspot Cycle)
4.2 磁场逆转周期(Solar Magnetic Reversal Cycle)
5、小结 (A Summary)
正文
1、太阳结构 (Solar Structure)
1.1 太阳的内部(Solar Interior)
从内向外分为4个区域：核心(Core)、辐射区(Radiative Zone)、界面层(Interface Layer)和对流区(Convective Zone) [01]。
太阳核心(Core)半径约是太阳半径的1/4。太阳能量产生自核心，以辐射(主要是伽马射线和X射线)的方式向外扩散穿过辐射区，然后以对流体流动(沸腾运动, boiling motion)的方式穿过最外面的对流层。太阳中心的温度约1500万摄氏度，密度约是150 g/cm^3 [注：约是金密度(19 g/cm^3)的8倍]。辐射区(Radiative Zone)是0.25~0.85个太阳半径的区域，由内往外温度从约700万摄氏度降到200万摄氏度，密度从约20 g/cm^3 [注：与金的密度差不多]降到0.2 g/cm^3 [注：小于水的密度]。界面层(Interface Layer)是辐射区和对流区之间薄薄的小层，被认为是太阳磁场产生的地方。对流区(Convective Zone)是最外面的一层，约0.86~1.0个太阳半径的区域，从20万公里的深处向外延伸至可视表面。对流层底部温度约200万摄氏度，这是一个足够“凉(cool)”的温度，使得较重的离子如碳、氮、氧、钙、铁，得以保住他们的部分电子。在可视表面，温度下降到5700℃，密度仅为0.0000002 g/cm^3[注：约是地球海平面空气密度的万分之一] [02]。
1.2 太阳对流区以外(Visible Sun)
从内向外分为4个区域：光球层(Photosphere)、色球层(Chromosphere)、过渡区(Transition Region)和日冕(Corona) [01]。
光球层(Photosphere)是我们最熟悉的太阳可视表面，由于太阳是一个气体球，因而它不是一个固体表面，而是一个约100公里厚气层[注：与太阳半径(700,000 公里)相比，可以说非常非常薄] 。用一个有良好过滤功能的简单的远镜，就可观察到的光球的许多特征，包括太阳黑子(sunspots)的暗斑、明亮的光斑和颗粒[01]。
色球层(Chromosphere)是光球上面的不规则层，温度从6000 摄氏度到约2万摄氏度。这样的高温下，氢散发出一种略带红色的光(H-alpha emission)，可在日全食期间太阳的隆凸处(prominences)看到。色球层也可看到离子化钙(Ca II)发出的紫罗兰色的光，这在其它类似太阳的恒星上看到过。在色球层可观察到太阳耀斑(solar flares)、隆凸(prominence)和 细丝喷发(filament eruptions) [01]。
过渡区(Transition Region)是太阳大气(the Sun's atmosphere)的一个非常不规则的薄层，将炽热(100万摄氏度)的日冕与凉得多(2万摄氏度)的光球层分开。这样的高温下氢被离子化，因此很难看到。过渡区发出的光，主要像碳四离子(C IV)、氧四离子(O IV)和硅四离子(Si IV)[注：碳、氧和硅，均剥离三个电子]这样的离子发射出的。这些离子发出太阳光谱中的紫外线部分，而且仅能从太空中才可观察到[01]。
日冕(Corona)是太阳的外层大气，在日全食时以太阳周围珍珠白皇冠的样子呈现。日冕有大量特征，包括流光(streamers)、羽流(plumes)和冕环(loops) [01]。
现有理论认为太阳是一个巨大的由内部加热的核聚变反应炉(nuclear fusion furnace)，但是却漏洞百出，先进的空间仪器也已经发现很多与核聚变不符合的证据。例如，如果太阳是核聚变炉，那它应该是一个巨大的中微子发射器(中微子却失踪)而且太阳日冕也不会存在(成因仍然是迷)[03]。
2、太阳活动 (Solar Activity)
2.1 太阳黑子(Sunspot)
太阳黑子是太阳表面显得黑暗的区域(出现在光球层)，因为它们比周围的光球层温度低约1500 K。因此，它们仍然有约4500 K的温度，但是与光球层其它区域相比就是凉的了。它们只是相对感觉上的黑暗，因为一个太阳黑子辉从太阳明亮背景里拿出来后，发出的光也是相当明亮的。观测到的最大的太阳黑子，直径约50,000公里，比地球大很多(地球直径约13,000公里)，这使得它们大到足以用肉眼看到。太阳黑子常以群组(groups)方式出现，一个群组有多达100个黑子，尽管超过10个黑子的黑子群(sunspot groups)相对较少[04]。
2.2 太阳耀斑(Solar Flare)
耀斑是指亮度上的一个突然的、快速的、强烈的变化，这是在太阳黑子区域通过太阳色球层的破裂处的一个戏剧性的突然的能量释放，通常持续数分钟到几个小时。释放的能量有多种形式：电磁的(伽马射线和X射线)、充能粒子(质子和电子)和质量流[05]。相当于数百万个100兆吨级氢弹同时爆炸的能量，但还不到太阳每秒钟释放总能量的十分之一。磁场能量的释放，使得包括电子、质子和重原子核在内的粒子在太阳大气中被加热和加速。辐射几乎跨越整个电磁频谱，从长波段的无线电波到段波段的X射线和伽玛射线[06]。
2.3 日冕物质抛射(CMEs, Coronal mass ejections)
日冕物质抛射是几十亿吨等离子体和内嵌磁场从日冕层向星际空间的喷发。日冕物质抛射释放过程中所涉及的确切过程尚不清楚。CMEs可发生在太阳周期内的任何时间，但是发生率随着太阳活动的增加而增加，并在太阳活动最大时达到峰值。CMEs向外抛射的速度范围约50〜2000 km/s [07]。大多数CMEs来自最活跃地区，即与频繁耀斑关联的太阳黑子群[08]。CMEs可严重破坏地球的环境，强烈辐射在8分钟之后就到达地球，能改变的外层大气，破坏远距离无线电通信。高能日冕物质，在1~4天后到达地球，可导致强烈磁暴、极光和电力中断[09]。
太阳耀斑和日冕物质抛射是目前在太阳系中最大的“爆炸””，粗略接近10亿颗氢弹的力量[10]！
2.4 太阳风(Solar Wind)
太阳风是从日冕(corona)喷射出的进入星际空间的超音速(300-800 km/s)等离子流。日冕即是，从太阳的可视表面之上4000公里处开始，延长到太空几个太阳半径，这之间的太阳大气层区域。它是由数目大致相等的离子和电子组成；离子成分主要由质子(95％)，以及少量的氦离子和微量离子重离子。嵌在太阳风等离子体中的就是被称为星际磁场(IMF)的弱磁场。太阳风在密度、速度、温度和磁场特性方面，随着太阳活动周期、日面纬度(heliographic latitude)、到日心的距离以及旋转周期而不同，而且对冲击、波动、行星际扰动流的响应程度也不同。太阳风在地球轨道处的速度是469 km/s；密度是每立方厘米8.7个质子；磁场强度是6.6 nT(纳特斯拉)[11]。
日冕温度超过1000,000 K，是太阳可视表面温度的几百倍[10]。日冕的温度是如此之高，以至于太阳引力都不能束缚它，因而产生太阳风。尽管已理解为什么会发生，然而关于日冕气体在哪里又是怎样被加速到如此高速度的细节，尚不清楚[13]。
3、太阳磁场 (Solar Magnetic Field)
3.1 星际磁场 (IMF, Interplanetary Magnetic Field)
在太阳活动最小的时候，太阳磁场像地球磁场一样，类似棒状磁铁的磁场，在赤道附近磁力线闭合，两极附近磁力线放开，科学家称这种场为“偶极场(dipole)” [13]。然而，太阳各处的磁场强度差别非常大。两极：1~2高斯(Gauss)；太阳黑子：3000高斯；日珥：10~100高斯；色球谱斑：200高斯；短暂活跃区：20高斯[14]。
太阳不停旋转(每27天自转一圈)，使得太阳磁场有一个螺旋形状，科学家Parker第一个描述了它，因此又叫做“帕克螺旋(Parker spiral)” [13]。然而真实的太阳磁场并不是理想的帕克螺旋，而是一个纠缠磁场(Tangled magnetic fields)[15] 。
太阳磁场并不局限于其附近，由太阳风运送越过了太阳系内所有行星而遍及太阳系，因此太阳磁场(the Sun's magnetic field)又被称为“星际磁场(Interplanetary Magnetic Field, IMF)”，也就是说太阳系内所有行星都在太阳磁场内[16]。
沿太阳磁场的赤道(the Sun's magnetic equator)平面，方向相反的开放磁力线彼此平行，被一个薄薄的电流片(thin current sheet)隔开，该电流片被称为星际电流片(the interplanetary current sheet) 或日光层电流片(heliospheric current sheet)。因太阳旋转轴和磁轴之间有偏移，电流片是倾斜的。因太阳磁场(the solar magnetic field)的四极矩(quadrupole moment)，电流片又是扭曲的。因此当太阳磁场延伸至星际空间时，便呈现一个波浪状结构。地球由于有时位于旋转电流片(the rotating current sheet)上面，有时位于下面，因而经历着有规律的、周期性的IMF极性改变[16]。
3.2 磁波与行星轨道(Magnetic Wave & Planetary Orbits)
Thom Pawlicki推测我们的太阳系是一个由太阳激发的巨大震动波盘(vibrating waveplate)，高密度磁波(magnetic waves)不仅创造了行星所在的凹槽(grooves)，而且，由于干涉图样(interference patterns)造成的螺旋式旋转(spiralling rotation)，磁波绕轨道盘旋。这已被1984年先驱者号飞船(Pioneer)发回的数据所证实[17]。
Stoneking认为引力效应不是决定行星相对间距的唯一因素。在太阳中观察到的周期性脉动的复杂样式(pattern)，传入太阳风占主导地位的日光层 (heliosphere)。Stoneking的假设是：这种脉动是一种“离子-声学波(Ion-Acoustic Waves)”形式的波，通过太阳风的媒介运送，以共振系统(resonate system)的方式向外传播，这就意味着它是一种按比例扩张的压力波。微妙的压力差，推动行星进入到与低压区匹配的轨道[18]。
斯通金共振(Stoneking Resonance)显示出了对波得定则(Bode's law) [注：这个定则可以表述为：从离太阳由近到远计算，对应于第n个行星(对水星而言，n不是取为1，而是-∞)，其同太阳的距离an=0.4+0.3×2n-2(天文单位)]的惊人校正，即行星是按自然的全音阶比例，从太阳的位置依次隔开的，而这与太阳磁波关联得非常好[17]。
4、太阳周期 (Solar Cycle)
4.1 黑子周期 (Sunspot Cycle)
每11年，太阳经历一个叫做“太阳活动峰(solar maximum)”的活动期，紧接着一个叫做“太阳活动谷(solar minimum)”的宁静期。 在太阳活动峰，有许多太阳黑子、太阳耀斑和日冕物质抛射，所有这些都能影响地球上的通讯和天气。 一般来讲，耀斑和日冕物质抛射等太阳活动，基本上都与太阳黑子有关，因此通常用太阳黑子数目的多少作为太阳活动强弱的标志。由于太阳赤道旋转速度比两极速度快[注：自转周期：赤道26.8天；两极：36天]，太阳磁场线扭曲，峰年时扭曲最厉害。太阳从一个活动峰到下一个峰，需要11年，而完成一个全周期[注：指磁场逆转周期(Solar Magnetic Reversal Cycle)，也叫黑尔周期(Hale Cycle)，太阳黑子的极性也跟着做相应反转]要22年[19]。
国际太阳黑子数(ISSN, The International Sunspot Number)由位于比利时的SIDC [20]编制。1700-2006年的年平均黑子数(Yearly Average Sunspot Count)反映了300多年内的黑子数变化。黑子数最多的一次是1958年(S19)，达到破纪录的200个。18世纪前30年突然安静，仅有3个非常小的峰值；然后突然活跃了，S8和S11峰值超过140。1876-1934年，太阳活动又减弱，除了S5(1917年)，没有一个峰值超过100[21]。
1750-2010年的月平均黑子数(Monthly Averaged Sunspot Numbers)更细致地反映了黑子数变化。黑子数最多的一次是1958年(S19)某月，超过250个[22]。
2009年5月29日，一个由NOAA领导、NASA资助的国际专家组发布了关于下一个太阳活动周期(Solar Cycle 24)的预测，预计2013年5月，第24太阳活动周期将达到顶峰，但黑子数会低于平均水平[23]。
Biesecker指出，“即使低于平均水平，也有能力产生严重的空间气候(space weather)影响。举例来说，1859年(发生了历史上最大的磁暴)所在的太阳周期(S19)，跟我们预测的2013年所在的周期(S24)，有同样的黑子数水平。” [23]
2008-2009年，太阳创造了太空时代记录(Space Age records)：低黑子数、弱太阳风、低太阳辐射，超过2年没有明显的太阳耀斑。Pesnell说“太阳活动谷(Solar minimum)的持续时间已经远超过预测的2007年了[注：11年太阳活动周期末期延长了15个月以上]，在我们的职业生涯中，从来没有见过这样的事。” [23]
1859年，发生了历史上最大的磁暴“卡林顿事件(Carrington Event) [24]”。
1959年9月1日爆发了两个超级太阳耀斑(Solar Flare)。第二天黎明时分，地球上空爆发了红色、绿色和紫色的极光，非常明亮以至于可以像白天一样阅读报纸。更令人惊慌失措是，全球电报系统失控，电火花震惊了操作员，并使电报用纸起火，即使报务员断开电池供电线路，极光诱导电流依然在线路中发送讯号[25]。
1972年8月4日爆发了一个巨大的太阳耀斑，使美国伊利诺斯州长途电话瘫痪[25]。
1989年3月13日爆发了一个类似的太阳耀斑，引起的磁暴使得加拿大魁北克水电站的电力传输中断，并使该省600万人民被迫在黑暗中度过了9个小时；极光诱导的电流脉冲甚至融化了美国新泽西州的变压器[25]。
随着电子技术越来越复杂，越来越多地嵌入到日常生活中，它们也变得更容易受到太阳活动的危害。单就地球上空的900多颗在轨卫星的潜在损失而言，就可能达300-700亿美元[25]。
2013年呢？NASA科学家认为，太阳将从沉睡中唤醒，爆发的太阳耀斑的电磁能量，将以前所未有的程度袭击地球，时间在2013年左右[26]。
4.2 磁场逆转周期(Solar Magnetic Reversal Cycle)
由于太阳赤道旋转速度比两极速度快[注：自转周期：赤道26.8天；两极：36天]，太阳磁场线扭曲，峰年时扭曲最厉害。完成一个全周期磁场逆转周期(Solar Magnetic Reversal Cycle)约需22年[27]。
通常认为星际磁场(IMF)有一个4纳特斯拉(nanoTeslas)[注：磁场强度单位T(特斯拉)和Gs(高斯)的换算关系是：1T=10^4Gs]的底限，IMF的磁场强度不会低于它[28]。
David Archibald [29]发现，2009年6月近27天的平均值却是3.3纳特斯拉。2009年至今，已有个别天的磁场强度低至1.8纳特斯拉[28]。Svensmark的宇宙气候学(cosmoclimatology)理论，弱的星际磁场(IMF)将允许更多的星系宇宙射线进入地球大气层，造成更多的离子，造成更多的低层云层[30]。
5、小结 (A Summary)
太阳活动有个11年的小周期(黑子周期)和22年的大周期(磁场逆转周期)。对地球影响的强弱并不取决于黑子数多少，影响的关键因素是：有无巨大太阳耀斑的发生。随着电子技术越来越复杂，越来越多地嵌入到日常生活中，它们也变得更容易受到太阳活动的危害。
1700-2006年的年均黑子数变化图，很清楚地展现了11年小周期。
1859年(S10)，发生了历史上最大的磁暴——卡林顿事件(Carrington Event)，使全球电报系统失控。
1958年(S19)，是年均黑子数最多的年份，达到破纪录的200个；1958年(S19)的某月，月均黑子数最多的月份，超过250个。但这一年地球磁暴并无特别之处。
1972年(S20)，爆发的一个巨大的太阳耀斑，使美国伊利诺斯州长途电话瘫痪。这一年的年均黑子数刚过60。
1989年(S22)，爆发的一个类似的太阳耀斑，引起的磁暴使得加拿大魁北克水电站的电力传输中断，并使该省600万人民被迫在黑暗中度过了9个小时；极光诱导的电流脉冲甚至融化了美国新泽西州的变压器。这一年的年均黑子数超过了160。
2013年(S24)，NASA预测太阳活动会达第24个太阳周期的高峰，爆发的太阳耀斑将以前所未有的程度袭击地球。前所未有，这可能吗？我们看到，本来2007年就该达到11年太阳活动周期的谷底，但这个周期末期延长了15个月以上；2008-2009年，太阳活动破记录：低黑子数、弱太阳风、低太阳辐射，超过2年没有明显的太阳耀斑；这是前所未有的。通常(1880-2008年)认为星际磁场(IMF)有一个4纳特斯拉的底限，IMF的磁场强度不会低于它，但2009年6月平均值却是3.3纳特斯拉，个别天的磁场强度低至1.8纳特斯拉。这也是前所未有。
可见，太阳将从沉睡中爆发的可能性非常大，2013年的太阳活动高峰，强度或许会达1859年的水平，那样的话，由于电子设备的广泛使用，对地球造成的破坏无疑会超过1859年。但这根本不是什么世界末日，历史上已有过很多次太阳活动高峰了！
[References]
[01] Solar Structure
http://solarscience.msfc.nasa.gov/
[02] Solar Structure, Astro-Observer
http://astro-observer.com/solarsystem/sun/structure.html
[03] The myth of the fusion-powered Sun
http://www.rolf-witzsche.com/lovescapenovels/electric_climate.html
[04] Sunspots
http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/sun/sunspots.html
[05] solar flare
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/solar_flare.html
[06] What is a Solar Flare?
http://hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/flare.htm
[07] Coronal Mass Ejections
http://pluto.space.swri.edu/image/glossary/cme.html
[08] Coronal Mass Ejections
http://www.universetoday.com/59230/coronal-mass-ejections/
[09] Coronal Mass Ejections
http://www.windows2universe.org/sun/cmes.html
[10] Coronal Mass Ejections
http://helios.gsfc.nasa.gov/cme.html
[11] Solar Wind
http://pluto.space.swri.edu/image/glossary/solar_wind.html
[12] The Solar Wind
http://solarscience.msfc.nasa.gov/SolarWind.shtml
[13] The Interplanetary Magnetic Field: It comes from the Sun!
http://spaceweather.com/glossary/imf.html
[14] The Sun
http://www.solcomhouse.com/thesun.htm
[15] Solar Spitwads
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2003/08jan_spitwads/
[16] Interplanetary Magnetic Field (IMF)
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/IMF.html
[17] The interplanetary magnetic field as emitted by our sun
http://keelynet.com/spider/magfield.htm
[18] The Stoneking Resonance Model.
http://www.bob-wonderland.supanet.com/journal_9.htm
[19] Solar Maximum
http://www.solcomhouse.com/SOLARMAX.htm
[20] SIDC, Solar Influences Data Analysis Center
http://sidc.oma.be/
[21] Solar Activity & Sunspot Cycles
http://www.michaelmandeville.com/earthchanges/gallery/Sun/sun.htm
[22] The Sunspot Cycle (Updated 2010/07/02)
http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml
[23] New Solar Cycle Prediction
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2009/29may_noaapred...
[24] The Largest Magnetic Storm on Record, Carrington Event
http://www.geomag.bgs.ac.uk/carrington.html
[25] A Super Solar Flare
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/06may_carringt...
[26] Nasa warns solar flares from 'huge space storm' will cause devastation
http://www.telegraph.co.uk/science/space/7819201/Nasa-warns-solar-flares...
[27] the Reversal of the Solar Magnetic Field
http://www.sp.ph.ic.ac.uk/~forsyth/reversal/
[28] David Archibald on – The State of the Sun – 16th June, 2009
http://anhonestclimatedebate.wordpress.com/2009/06/20/david-archibald-on...
[29] The Interplanetary Magnetic Field: lowest point since 1913? by Anthony Watts，June 3, 2009
http://wattsupwiththat.com/2009/06/03/the-interplanetary-magnetic-field-...
[30] A brief summary of cosmoclimatology
http://www.spacecenter.dk/research/sun-climate/cosmoclimatology/a-brief-...
