最近，有消息稱，「太陽時已經連續15天沒有出現黑子，受其影響，地球即將進入一個寒冷期。」竟然有這麼嚴重嗎？我是不是要去買軍大衣啦？各位不必擔心，大院er和大家聊一聊「太陽黑子」和太陽活動周期。
如果區區15天不出現黑子就能為地球「解暑」的話，那麼今年夏天，北方地區就不需忍受副熱帶高壓帶來的持續高溫悶熱天氣了。事實上，自2018年初至今，已經累計有一百五十多天在太陽上沒有觀測到任何太陽黑子。太陽黑子的減少或消失並不意味著地球寒冷期的來臨。太陽只不過按照它11年的活動周期，進入了例行的休息階段。
2018年9月19日SDO衛星的觀測數據顯示，太陽黑子目前已經在太陽表面上完全消失。（來源：NASA）
如果你使用加裝了濾光片的望遠鏡觀察太陽，會發現太陽表面有時會出現一些黑色的斑點，這便是太陽黑子。太陽黑子傾向於成群出現，太陽上每個黑子群中黑子的數量從一兩個到幾十個不等。 一些黑子數量多、面積比較大的黑子群是顯著的天文現象，在日落或有薄霧時通過肉眼就可以觀察到（但請讀者不要進行這樣的嘗試，以免對眼睛造成不可逆的損傷）。
2014年10月18日，SDO衛星觀測到的超大黑子群。（來源：NASA）
由於太陽黑子十分容易觀察，因此在天文望遠鏡出現前就已經有了對黑子的記錄，其中最早的就來自於我們中華民族那些敏銳的觀察著萬物變化的祖先們。公元前43年，《漢書》五行志中記載那年四月之中，「日色青白，亡影，正中是有景亡光。」公元前28年，《漢書》又記載「日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央」。
這是因為黑子所在區域的溫度低於周圍溫度。黑子中心的溫度約4000~4500K(開爾文)，相對於溫度在6000K左右的明亮太陽光球顯示出了較黑的顏色。實際上，黑子本身也向外發光。如果將黑子單獨移動到另一片天空之中，其發出的光亮會比正月十五的月亮還用明亮。
Trace衛星拍攝的太陽黑子精細結構。（來源：Wekipedia）
那麼，為什麼黑子又會成為太陽上的溫度「窪地」呢？
原來，黑子是太陽上強磁場的聚集區，黑子所在位置的太陽磁場強度可達0.1-0.4T（特斯拉），約是地磁場強度的數千倍。組成太陽的物質，並非我們日常生活中所能接觸到的固、液、氣三態，而是一種被稱為等離子體的狀態，由帶負電荷的電子和帶正電荷的離子構成。磁場和等離子體間存在著凍結效應，等離子體不能橫越磁力線流動。當磁場較強時，磁力線就像一根根柵欄，阻礙了太陽物質的對流運動，導致太陽內部釋放的能量不能及時運輸到黑子所在位置。缺了能量，黑子自然就又「冷」又黑了。
1844年，連續積累18年的太陽黑子群數量記錄啟發了德國天文學家施瓦貝(Samuel Heinrich Schwabe)。在太陽表面呈現的黑子數隨時間起伏變化的數據中，他發現了太陽黑子數量的變化規律：在為期11年的周期中，黑子數先增加，之後逐漸減少，最終回到11年周期開始時的水平。要確鑿的驗證這一規律，18年的數據顯然不夠充分。於是瑞士天文學家沃爾夫(Rudolf Wolf)一頭扎進了故紙堆，在浩如煙海的文獻中找到了從1749到1847年的太陽黑子數記錄。在這些記錄中，太陽黑子數仍然明顯的以約11年的周期發展變化。
太陽黑子數目隨時間的變化曲線，呈現了明顯的周期性。（來源：SILSO dataimage, Royal Observatory of Belgium, Brussels）
時至今日，人們已經對太陽黑子的11年變化周期有了更深入的認識。科學家們將黑子數變化的周期稱為太陽活動周。在每個太陽活動周開始後，在太陽南北緯30度左右出現的黑子群打破了太陽的沉寂，之後，太陽黑子的數目開始上升，並逐漸達到活動周中的最大值。之後，太陽黑子的數目會在一定時間內維持在較高的水平，並小幅波動。再往後，太陽黑子的數量開始穩步下降，最終在太陽表面上完全消失。隨著太陽活動周的發展，黑子出現的位置也逐漸從南北緯30度附近向赤道附近轉移。如果將黑子出現的位置按照時間順序標記到同一張圖上，就會形成一種形似蝴蝶的圖案。
太陽黑子出現緯度隨時間變化的示意圖，也稱為「蝴蝶圖」。（來源：Wikipedia）
根據歷史數據，沃爾夫將1755年定為第一個太陽活動周的開始，之後，每當進入新的太陽活動周，就將太陽活動周的計數加一。根據黑子變化情況確定的太陽活動周時間不是嚴格的11年，可能比11稍長或稍短。
我們來看下現實記錄，例如，從1996年8月到2008年12月的第23太陽活動周持續了12.3年，而它之前的第22太陽活動周僅持續了9.9年。在兩個太陽活動周交替的時期，會出現太陽黑子完全消失的現象。在第23太陽活動周末期，共出現了至少817個「無黑子日」。而2008年更是創造了自有連續可靠黑子數記錄以來全年無黑子天數第二多的記錄，全年中共有266個無黑子日，僅次於1913年311個無黑子日的記錄。連續若干天沒有黑子也是一件稀鬆平常的事。自1849年起，共出現了29個連續30天以上無黑子出現的時期，其中最長的出現在1913年4月8日至1913年7月8日，共92天。而在1913年，全球平均氣溫正處在穩步上升的過程中，黑子的消失並沒有改變這一趨勢。
近百年全球平均氣溫隨時間變化的趨勢。圖中標出的數據是每年的平均氣溫減去 1951-1980 年的平均溫度得到的溫度異常值。從圖中不難看出，平均氣溫曲線並沒有和黑子數曲線那樣明顯的周期性變化。（來源：NASA）
為什麼太陽黑子一消失，就總會有人「預言」冰河期要來臨呢？這要從著名的「小冰河期」和太陽活動的「蒙德爾極小期」說起。
所謂「小冰河期」，指的是從16世紀到19世紀全球出現寒冷天氣的一段時間。由於那時的氣象觀測條件還不盡完善，小冰河期持續的時間和範圍都存在爭議。有學者認為開始時間可以前推到1300年。也有學者認為寒冷的氣候主要集中在北半球。
創作於1677年，描述小冰河期冬日場景的畫作。(來源：Wikipedia）
而蒙德爾極小期，則是指1645年至1715年太陽黑子數量非常低的一段時間。這個時期是天文學家蒙德爾夫婦通過分析歷史資料發現的。在這段時間內，太陽似乎休了一個長假，在本應出現的太陽活動極大期，黑子也沒有像正常情況下那樣成群結隊的出現。
太陽黑子數隨時間的變化曲線，在蒙德爾極小期太陽黑子幾乎消失。
由於孟德爾極小期和小冰河期在時間上存在重合，有學者就將地球變冷的原因歸結於黑子數目的變化。然而，單純用時間上的重合來確定因果關係，難免得出謬誤。
例如，廣東地區剛剛經歷了颱風「山竹」的肆虐，而「山竹」登陸後的第二天，發改委根據國際油價變化情況調整國內成品油價格。如果單純用時間上的聯繫推斷因果，就會得出「颱風山竹導致油價上漲」，顯然是無稽之談。事實上，對於「小冰河期」的成因有多種說法。有人認為是火山噴發的增強導致了小冰河期的出現，因為火山噴出的火山灰能夠遮擋太陽賦予地球的光和熱。還有人認為是海洋環流的異常導致了小冰河期的出現。
確定兩種現象間的因果關係，一定要找出他們之間是通過怎樣的作用過程而聯繫在一起的。太陽黑子所代表的太陽活動水平增強或減弱，對於太陽輻射能量的影響僅有約0.1%，這樣的輻射能量變化不足以引起地球氣候發生明顯的改變。
目前，對太陽活動影響地球氣候的研究仍在進行當中，研究者們提出了一些可能存在的作用途徑。例如，當太陽黑子上面的活動區爆發太陽風暴時，高能粒子會引起地球大氣中氮氧化物含量的改變，從而使臭氧層的厚度輕微減小。這種效應會在大氣層中引起一些列連鎖反應，最終引起天氣和氣候系統的一些變化。但是這類太陽活動對地球氣候的間接影響，其程度和範圍都尚在探究之中，還沒有「太陽黑子一減少，地球就要冷颼颼」這樣簡單粗暴的結論得出。事實上，第23太陽活動周的黑子數量相比前一活動周出現明顯的減少，但全球平均溫度依然在徐徐上升。
太陽黑子之上，一般存在的複雜的磁場結構，是孕育太陽風暴的溫床。因此，太陽黑子的多少是太陽活動強弱的標誌。當黑子數較多時，太陽將會更加頻繁的爆發太陽風暴，給距離地面100公裡以上的空間環境造成顯著的影響，威脅太空中的太空飛行器安全，也會通過地磁場、電離層的變化將不利影響擴展到供電、通信、導航等各個領域。因此，對於太陽黑子，我們更應該關心它的多少將如何影響太空中的天氣——空間天氣的變化，而我們人類自身的活動，可能才是目前影響地球氣候變化的主要因素。
作者單位：哈爾濱工業大學（深圳）
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