太阳磁场

日面宁静区的微弱磁场

太阳磁场是分布于太阳和行星际空间的磁场，分大尺度结构和小尺度结构。前者主要指太阳普遍磁场和整体磁场，它们是单极性的后者则主要集中在太阳活动区附近，且绝大多数是双极磁场。太阳普遍磁场指日面宁静区的微弱磁场，太阳的绝大部分物质是高温等离子体，太阳的物态、运动和演变都与磁场密切相关。太阳黑子、耀斑、日珥等活动现象，更是直接受磁场支配。因此，太阳磁场的研究具有重要意义。

定义

分布于太阳和行星际空间的磁场。分大尺度结构和小尺度结构。前者主要指太阳普遍磁场和整体磁场，它们是单极性的，后者则主要集中在太阳活动区附近，且绝大多数是双极磁场。

在太阳风作用下，太阳磁场还弥漫整个行星际空间，形成行星际磁场。它的极性与太阳整体磁场一致，随着离开太阳的距离增加而减弱。各种太阳活动现象都与磁场密切相关：耀斑产生前后，附近活动区磁场有剧烈变化（如磁场湮灭）；黑子的磁场最强，小黑子约0.1特斯拉，大黑子可达0.3～0.4特斯拉甚至更高。谱斑的磁场约0.02特斯拉。日珥的形成和演化也受磁场的支配。

起源

化石学说

太阳的磁场来源是一个尚未解决的难题。现有学说可分为两类：第一是认为现有的磁性是几十亿年前形成太阳的物质遗留下来的。理论计算表明,太阳普遍磁场的自然衰减期长达100亿年，因此，磁性长期留存是可能的。

发电机学说

（太阳平均磁流发电机机制），认为太阳的磁场是带电物质的运动使微弱的中子磁场得到放大的结果。既然太阳的物质绝大部分是等离子体，并且经常处于运动状态，那就可以利用发电机效应来说明关于太阳磁场起源中的若干问题。

太阳磁场理论的一个重要课题是太阳活动周的形成机制。现得到公认的是较差自转理论。它认为太阳的较差自转（太阳自转）使光球下面的水平磁力线管缠绕起来，到一定时候，上浮到日面，形成双极黑子。由于大量的双极黑子磁场的膨胀和扩散，原来的普遍磁场被中和掉了，接着就会出现极性相反的普遍磁场。这样就可以解释太阳的22年磁周。

研究

简史

1908年，美国天文学家海耳等在威尔逊山天文台(现称海耳天文台)，利用光谱线的塞曼效应测量太阳黑子的磁场这项工作后来在波茨坦天文台(1942年)、克里米亚天体物理台（1955年）等处也相继开展起来。

1912年，海耳等开始测量太阳的普遍磁场，但得到的结果有较大误差

1953年，H.D.巴布科克研制了太阳光电磁像仪，用以观测太阳表面的微弱磁场在以后二十多年,各种不同类型的磁像仪先后研制成功,因而发现了日面局部磁场、太阳整体磁场和磁结点等。在实测工作取得巨大进展的同时，理论研究也蓬勃开展起来例如黑子磁场结构、太阳活动周的起源、耀斑爆发机制以及磁场内谱线形成理论等研究都有了重要的进展，

观测手段

测量天体磁场主要利用谱线的塞曼效应，也就是利用磁场内辐射的两种性质：①谱线的塞曼分裂或致宽；②塞曼支线的偏振。一般使用呈现正常塞曼效应的磁敏感谱线；例如 FeIλ6303。谱线在磁场内的分裂量ΔλH与磁场强度H成正比，相应的关系式为ΔλH=4.67×10-5gλ2H,式中g为谱线的朗德劈裂因子。对FeIλ6303来说，g=2.5。

黑子是日面上磁场最强的区域，强度可达三、四千高斯。这时 FeIλ6303的ΔλH约为10-1埃。大型太阳摄谱仪可以准确测定这个数值。具体作法是在摄谱仪狭缝前安放1/4波晶片（使圆偏振光变为平面偏振光）和偏光膜网（让不同偏振方向的光依次通过），底片上就能得到犬牙交错的谱线。这使我们容易直接测出ΔλH,代入上式便可算出磁场强度H。但是对于黑子以外的区域,磁场弱，ΔλH小,很难精确测定。这时需要使用磁像仪，按某种方式进行调制，交替地得到两条塞曼支线，于是穿过对准线翼的出射狭缝的辐射流量就会不断变化。根据这个变化的幅度可以测定H值。

全日面矢量磁像仪，是中国第一台空间太阳磁场测量设备，其时间分辨率相对较高，可实现全日面光球矢量磁场的持续观测。

活动区磁场

黑子磁场

一般说来，一个黑子群中有两个主要黑子，它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的,则后随黑子就是S极的在同一半球(例如北半球)，各黑子群的磁极性分布状况是相同的；而在另一半球（南半球）情况则与此相反在一个太阳活动周期（约11年）结束、另一个周期开始时，上述磁极性分布便全部颠倒过来。因此，每隔22年黑子磁场的极性分布经历一个循环，称为一个磁周。强磁场是太阳黑子最基本的特征。黑子的低温、物质运动和结构模型都与磁场息息相关，

耀斑与磁场

耀斑是最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放1030～1033尔格的能量，这个能量可能来自磁场。在活动区内一个强度为几百高斯的磁场一旦湮没，它所蕴藏的磁能便全部释放出来，足够供给一次大耀斑爆发在耀斑爆发前后，附近活动区的磁场往往有剧烈的变化。本来是结构复杂的磁场，在耀斑发生后就变得比较简单了。这就是耀斑爆发的磁场湮没理论的证据。

日珥的磁场

日珥的温度约为一万度，它却能长期存在于温度高达一、两百万度的日冕中，既不迅速瓦解，也不下坠到太阳表面，这主要是靠磁力线的隔热和支撑作用。宁静日珥的磁场强度约为10高斯，磁力线基本上与太阳表面平行；活动日珥的磁场强一些,可达200高斯，磁场结构较为复杂。

太阳普遍磁场

除太阳活动区外，日面宁静区也有微弱的磁场。整个说来，太阳和地球相似，也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰，太阳普遍磁场只是在两极区域比较显著，而不象地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1～2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化，甚至极性会突然转换。这种情况在1957～1958年和1971～1972年曾两次观测到，

太阳整体磁场

如果把太阳当作一颗恒星，让不成像的太阳光束射进磁像仪，就可测出日面各处混合而成的整体磁场。这种磁场的强度呈现出有规则的变化，极性由正变负,又由负变正。大致来说，在每个太阳自转周（约27天）内变化两次对这个现象很容易作这样的解释：日面上有东西对峙的极性相反的大片磁区，随着太阳由东向西自转，科学家们就可以交替地观察到正和负的整体磁场。总之，太阳上既有普遍磁场，又有整体磁场。前者是南北相反的，后者是东西对峙的，

结构

精细

21世纪以来通过高分辨率的观测表明,太阳磁场有很复杂的精细结构。就活动区来说,在同一个黑子范围内各处磁场强度往往相差悬殊；并且在一个就整体说来是某一极性（例如N极）的黑子里,常含有另一极性(S极)的小磁结点因此，严格说来,单极黑子并不存在。在横向磁场图上,不仅各处强度不同,方位角也不一样。在黑子半影中，较亮条纹与它们之间的较暗区域的磁场也有明显的差异。在活动区中，磁结点的直径约为1,000公里,磁场强度为1,000～2,000高斯。黑子磁场的自然衰减时间是很长的，

在日面宁静区，过去认为只有微弱的磁场，其强度约为1～10高斯。可是新的观测表明,宁静区的磁场的强度同样是很不均匀的，也含有许多磁结点。它们在日面上所占面积很小，却含有日面宁静区绝大部分的磁通量。具体说来，宁静区磁结点的范围还不到200公里,而它们含的磁通量竟占整个宁静区的90%左右。由于磁通量集中，磁结点的磁场强度可达上千高斯，远远超过宁静区大范围的平均磁场强度。

行星际磁场的扇形

在磁场“冻结”的情况下，太阳风的粒子带着磁力线跑，于是太阳磁场便弥漫于整个太阳系空间。因为太阳在自转太阳风所携带的磁力线就不是直线，而是螺旋线。此外，日面上有整体磁场，相邻磁区的极性是相反的。这些因素同时起作用，形成行星际磁场的扇形结构。它和太阳整体磁场密切相关，它们的极性几乎完全一致。太阳整体磁场的极性一旦转换，行星际磁场的极性立即跟着转换，

随着太阳磁场向外扩张，它的强度也就越来越弱。在地球外围空间，磁场强度还不到万分之一高斯。然而由于行星际空间的气体极为稀薄，这样弱的磁场也能对物质运动产生支配作用。在太阳风的作用下，地磁场被压缩在地球磁层的范围内，不能向外延伸。

太阳内部磁场

截止21世纪对太阳磁场测量只限于太阳大气。至于太阳内部磁场，还不能直接测量，只能用理论方法作粗略的估计有人认为它可能比大气的磁场强得多，

睡眠状态

简介

太阳磁场睡眠状态是科学家最新研究揭示出太阳活动周期延长，太阳黑子、耀斑和太阳风暴等现象逐渐减少的真实原因。据美国《连线》杂志报道，日前，科学家最新研究显示，太阳表面磁场气体的流动将解释为什么太阳处于“睡眠”之中。

背景

从2008年至2009年上半年，令科学家迷惑不解的是太阳黑子、耀斑和太阳风暴现象非常稀少，并且11年太阳活动周期末期延长了15个月。太阳与太阳风层探测器(SOHO)的最新观测显示能够更好地预测未来太阳周期的强度和持续时间。

磁场减弱

更好地预测太阳活动性至关重要，这是由于太阳活动爆发能够向地球释放大量带电粒子磁化物质，能够摧毁地面供电网络和损害通信卫星。刊登在3月12日《科学》杂志上的一篇最新研究报告指出，美国宇航局马歇尔太空飞行中心的大卫－哈撒韦(David Hathaway)和孟斐斯大学的利萨－赖特迈尔(Lisa Rightmire)分析了太阳与太阳风层探测器13年来跟踪太阳赤道至极地的电离气体变化状况，研究人员发现一种叫做经向气流(meridional flow)的电离气体在2008年开始太阳活动最低值之前持续加剧活动许多年。研究证明在11年之前，之前太阳活动性逐渐减弱，同时伴随着经向气流的活动性逐渐加剧。美国海军研究实验室尼尔－希勒(Neil Sheeley)称，很可能当前延迟活动周期2009-2010年是由2007-2009年相对虚弱的磁场导致的哈赖韦强调指出，太阳极地磁场强度对于下一个太阳活动周期至关重要，

物质循环

哈赖韦和赖特迈尔认为，更快的经向气流导致太阳极地产生更微弱的磁场，从而伸展太阳迟钝活动周期。

哈赖韦称，经向气流影响磁场变化可显著地抑制太阳表面磁性物质循环，更快的经向气流将导致太阳极地磁场无法变得强烈，

磁场倒转

据天文台测量表明，跨越整个太阳系的太阳磁场区，这几个月来正在发生着翻转

“纵观整个太阳系，这一变化会产生连锁反应。”一位太阳物理学家说道

随着内部发电机进行自身改组，在每11年的太阳周期的高峰期，太阳磁场区大概就会产生两极对立。下一次倒转将标志着第24太阳周期的正中央，这也仅是自1976年首次开始追踪后的第四次被发现。

“在磁场区颠倒期间，太阳两极的磁场区将会消失，磁力减为零，并且再次与对立极性相融合”一位太阳物理学家解释道，

科学家们现在已经观察到倒转开始发生的一些标志了：太阳北极已经开始转变，南极正加快速度追赶，这意味着至少到现在为止，太阳有效地拥有了两个南极。之后不到四个月的时间，太阳磁场区将会发生彻底改变

磁场区倒转意味着什么？

因为太阳磁场影响（我们称之为太阳圈，一直可延伸到冥王星）的统治地位，所以太阳磁场区的倒转将会对整个太阳系产生一系列后果。在颠倒的太阳磁场区中，扮演着中心角色的是“电流薄板”---太阳赤道伸出的一个不规则的表面，太阳缓慢辐状的磁场区在此引起电流。

这种电流自身很小，但是数量很多，整个太阳圈都被它包围着。在磁场倒退期间，电流薄板变得波动起伏科学家将这种波动比作棒球上的缝合痕迹。

电流薄板的作用是阻挡宇宙射线，防止它们穿透太阳系的内部。一个波动的起皱的电流薄板似乎能够创造一个更好的盾牌来阻挡这些能量粒子。

地球磁场正反颠倒的时代到来

太阳并不是太阳系唯一会发生磁场颠倒的奇葩地球同样也会，并且在过去的十亿年里已经发生了好多次

这并不令人惊讶，科学家说到，因为无论是太阳还是地球，它们的磁场区都被认为是由涉及旋转和对流导热液体的发电机产生的。然而，它们的差异在于地球磁场颠倒的频率远小于太阳，平均20万年至30万年才发生一次科学家们预测，在未来的1000年里，地球磁场可能会在某一天发生倒转，

主要影响

天气将不再那么炎热，很有可能重现300年前地球寒冷期的天气情况

当太阳出现这两种情况后，地球气温是否会出现明显下降。如果下降之后，我们所担忧的地球温暖化是否会由此而减缓。更重要的是迄今为止一致认为地球温暖化并不是因为温室排放气体所引起的科学家对这一问题更为关注，

科学证明

位于太阳表面之下的磁场将更深地影响太阳黑子磁场的形成，太阳黑子磁场活动加剧是暗示新一个太阳活动周期开始的信号。微弱的极地磁场将需要更多的时间到达产生太阳黑子的强度，从而延缓了太阳活动周期此外更微弱的极地磁场在随后的太阳周期中将产生更少的活动性，

哈赖韦说：“经向气流对于下一个周期的极地磁场具有重要作用，暗示着未来的观测有助于我们预测未来的太阳活动周期。”

希勒称，需要附加说明的是物理学家对于太阳活动周期和太阳表面之下磁场变换的理解并不完全。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的纳彻穆特霍克－高帕尔斯沃米(Natchimuthuk Gopalswamy)强调称，这项引起科学家兴趣的研究将有助于区别不同类型的太阳磁学。

N据新华社电

美国宇航局21日发布一批“太阳－B”观测卫星拍下的高质量太阳图片，并称这些“前所未见”的太阳观测图像显示太阳磁场比人类此前知道的要狂暴得多、动态得多。

美宇航局科学项目董事会太阳物理学分部主任迪克·费希尔说，这些高质量的太阳观测图片，将从一定程度上“改写教科书”，开辟一个太阳活动研究的“新时代”，进一步帮助人类理解太阳活动是如何影响地球、空间轨道卫星以及整个太阳系的。

图为美国宇航局2007年3月21日发布的由“太阳-B”观测卫星拍摄的太阳图片，显示太阳黑子垂直上方磁场向外扩散的情形。

太阳存在磁场

整个说来，太阳和地球相似，也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰，太阳普遍磁场只是在两极区域比较显著，而不象地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1～2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化，甚至极性会突然转换。这种情况在1957～1958年和1971～1972年曾两次观测到。

太阳整体磁场

如果把太阳当作一颗恒星，让不成像的太阳光束射进磁像仪，就可测出日面各处混合而成的整体磁场。这种磁场的强度呈现出有规则的变化，极性由正变负,又由负变正。大致来说，在每个太阳自转周（约27天）内变化两次。对这个现象很容易作这样的解释：日面上有东西对峙的极性相反的大片磁区，随着太阳由东向西自转，科学家们就可以交替地观察到正和负的整体磁场。总之，太阳上既有普遍磁场，又有整体磁场。前者是南北相反的，后者是东西对峙的。

太阳普遍磁场来源是一个尚未解决的难题。现有学说可分为两类：

第一是认为现有的磁性是几十亿年前形成太阳的物质遗留下来的。理论计算表明,太阳普遍磁场的自然衰减期长达100亿年，因此，磁性长期留存是可能的。

第二是认为既然太阳的物质绝大部分是等离子体，并且经常处于运动状态，那就可以利用发电机效应来说明关于太阳磁场起源中的若干问题。

太阳的绝大部分物质是高温等离子体，太阳的物态、运动和演变都与磁场密切相关。太阳黑子、耀斑、日珥等活动现象，更是直接受磁场支配。因此，太阳磁场的研究具有重要意义。

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