太陽黑子活動與磁極反轉的關係

趙孔儒

2010年6月

什麼是太陽黑子？

太陽黑子是在光球層（太陽的可看見表面區域）上比周圍太陽表面較暗的一些區域。太陽黑子看起來比較暗是因為其溫度比周圍低。其實，他們是非常光的。太陽黑子會持續數小時至數個月。太陽黑子會隨著太陽自轉圍繞太陽表面移動。太陽黑子往往一雙一對或成群出現。太陽黑子的形成是與太陽的磁場擾動有關聯的。

什麼是太陽黑子活動週期？

太陽黑子出現的數量有週期性變化。在週期內，太陽活動由低潮進入高潮時，黑子數量增多，黑子數量出現最多的期間或年份，也是太陽活動最活躍的時期，太陽磁暴經常出現，稱為「太陽活動極大期」；然後太陽活動再由高潮進入低潮時，黑子數量減少；黑子數量出現最少以至沒有黑子出現的期間﹙以年份計﹚，也是太陽活動相對地最安靜的時期，稱為「太陽活動極小期」。一個太陽黑子週期通常是指，從一個「太陽活動極小期」開始，至下一個「太陽活動極小期」到來時結束的一段期間。這段時間前後持續大約是11年，便是太陽黑子活動週期。

什麼是太陽磁極反轉週期﹙太陽磁場活動週期﹚？

太陽的南北磁極大約每隔11年反轉一次，初時的磁北極後來會變成磁南極，而初時的磁南極後來會變成磁北極；大約每22 年經過二次磁極反轉，太陽的磁北極和磁南極便會回復原本的位置。因此，太陽的磁極反轉或磁場逆轉週期是大約22年。

太陽的磁場為什麼會改變？

在太陽自轉的期間，太陽表層內出現的磁力線會隨著旋轉。太陽的物質是流體，不是一個固體，沒有如地球的堅硬岩石地殼。太陽的自轉速度隨太陽緯度增加而減慢，即旋轉速度在接近南北極地區時較少，稱為差動自轉現象(differential rotation)。太陽在赤道自轉一周的週期大約是25日，而在緯度60度自轉一周的週期則較長，大約是29.3日。由於太陽旋轉速度的差異，內藏在太陽赤道附近的磁力線的旋轉速度也最高；初期在太陽沿著南北經向方向的磁力線會漸漸卷曲或扭曲起來，磁場因此跟著產生變化。

太陽黑子活動發展有什麼特徵？

在太陽黑子週期開始期間，太陽黑子往往在太陽北南半球30至35度附近出現。以後，太陽黑子會傾向在太陽較低緯度地區出現。接近太陽黑子週期完結期間，太陽黑子可在太陽南北半球5度附近出現。

太陽黑子常常是一對或成群地出現的，是在一個雙極磁區﹙bipolar magnetic region﹚內，帶有強力磁場，出現在扭曲的太陽表層磁力線內。如果其中一個黑子是磁南極，另外一個黑子便是磁北極。兩個黑子由環形弧狀的強力磁力線連接著。太陽黑子初時是一前一後出現的，兩個黑子的東西方向連線大致上與赤道平行。在前面﹙相對太陽自轉方向﹚的一個黑子﹙p，前導黑子﹚一般較大而較為明顯，壽命也較長。在太陽北半球，前面的一個黑子會傾向靠近太陽赤道，在後面的一個黑子﹙f，尾隨黑子﹚會傾向靠近太陽北極。同樣，在太陽南半球，前面的一個黑子亦傾向靠近太陽赤道，在後面的一個黑子則傾向靠近太陽南極。太陽黑子的數量會隨著太陽活動變得活躍而增加。

喜(Joy)定律和黑爾(Hale)定律

太陽黑子對或太陽黑子群因前導黑子較尾隨黑子靠近赤道而傾斜，傾斜角度隨緯度增加而增加。太陽黑子對的傾斜現象稱為喜 (Joy)定律。

太陽活動極小期以後，新太陽黑子週期的黑子在高緯度地區出現，在北半球和南半球展現相反的磁場極性。隨著週期的進展，在南北半球出現的太陽黑子平均緯度穩定地降低，太陽黑子將較接近赤道出現，而它們的磁場極性沒有改變。然而，在下一個太陽黑子週期形成的太陽黑子，它們的磁場極性會倒轉。這個太陽黑子磁極倒轉現象由美國天文學家黑爾(G.E. Hale)發現，稱為黑爾(Hale)定律。

圖1︰巴布科克(Babcock)的太陽磁場週期模式

太陽黑子活動與太陽磁極反轉有什麼關係？

巴布科克(Babcock)的太陽磁場週期模式（圖1）解釋了這個關係。在太陽活動的活躍最盛期間﹙太陽活動極大期﹚，太陽黑子之間的凸出環形管狀磁力線成長增大後會與黑子斷裂分開，再與太陽外面附近的磁力線重新聯繫連接，在太陽外面整合成獨立的磁力線循環回路，使磁力線重聯。另一方面，太陽裡的磁力線和黑子群的磁力線會經過中和互相抵消減弱及重新連接，使磁力線重聯而漸漸組織成新的太陽磁場和南北磁極。因此，太陽黑子活動和太陽磁場重組逆轉是有關聯的。若果把太陽磁場變更計算在內，那麽太陽黑子活動週期便應該是大約22年。

參考資料：
[1] "The Topology of the Sun's Magnetic Field and the 22-Year Cycle", by H. W. Babcock, Astrophysical Journal, vol. 133, p.572, 03/1961.
[2] "The Law of Sun-Spot Polarity", by George E. Hale, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Volume 10(1): pp53–55. January 1924.
[3] "Sunspot group tilt angles and the strength of the solar cycle", by M. Dasi-Espuig, S. K. Solanki, N. A. Krivova, R. H. Cameron, and T. Penuela, Astronomy & Astrophysics, May 12, 2010.
[4] "這連結會以新視窗打開。The Solar Dynamo", The National Aeronautics and Space Administration (NASA).
[5] "這連結會以新視窗打開。How Sunspots are Thought to Develop", 這連結會以新視窗打開。Windows to the Universe, at the website of University Corporation for Atmospheric Research (UCAR).