引人关注的超级大黑子

□ 夏 寒

引人关注的超级大黑子

□ 夏 寒

明亮的太阳表面，时常会出现一些黑斑，天文学家称之为“太阳黑子”。太阳黑子是太阳物理学家热衷的研究对象，关于它仍有许多尚待解决的谜团。天文爱好者对太阳黑子不会陌生，用一个口径10厘米的望远镜，就可以一睹它的芳容。普通百姓或许知道太阳黑子这个天文学名称，若想亲眼看到它却不是一件轻而易举的事情，不过机会还是有的。2014年10月17日至30日，太阳表面就出现了一个特大黑子群，是近24年来最大的，裸眼可以观看。按照天文学家的编号，它为2192号黑子群。

为图1 2014年10月22日，2192号超大黑子位于中部偏左下侧，便于比较大小，图中按比例给出了木星和地球。

图2 高分辨率太阳黑子照片，图中黑子的半影和本影清晰可见

关于黑子

我们仔细观察，太阳黑子区域的黑暗程度并不一致，黑子有本影和半影构成，本影位于中心，亮度最暗，半影环绕本影，相比本影亮度较高，呈纤维状。天文学家经过测量，太阳表面的温度达5500℃，而黑子中的温度要低一二千度，这也正是它看上去黑暗的原因。经过进一步的考究，天文学家发现，太阳黑子区域拥有强大的磁场，最强可以达到4000多高斯。磁场阻碍了太阳表层物质的对流运动，内部热量不能有效传输到表面，导致这里温度降低。我们知道，对于磁场来说，有N极，必有S极，正是由于黑子的磁场属性，在太阳表面，黑子往往成双成对出现，或者成群出现，被称为黑子群。

出场前的征兆

太阳黑子出现在太阳表面的一定区域内，尽管黑子群中黑子的数目和黑子群的面积可以产生显著和快速变化，但是，它在太阳表面的相对位置却基本不变。我们知道，地球每时每刻都在自转，由此形成了白天和黑夜。实际上，太阳也存在自转，不同的是，太阳上不同纬度区域的自转速度不一致，近赤道区域自转周期为25天，在两极区域自转周期达34天之久（这被称为较差自转）。再加上，地球围绕太阳公转，且公转方向与太阳自转的方向相同，地球上的观测者看来，太阳赤道附近的自转周期为27~28天。

世界标准时间2014年10月14日18点至15日2点，太空中专门观测太阳的两个天文卫星，太阳动力学天文台（SDO）和太阳及日球天文台（SOHO），都观测到太阳的剧烈活动现象。在太阳圆面的东南方向，有巨大的日冕物质抛射现象发生。根据X射线的观测，所发生的耀斑级别为M2级的大耀斑。然而，在太阳可见圆面的东南方部分并没有大的黑子群，为此，太阳物理学家预测太阳的东南方位、背向地球的一侧可能有巨大的黑子群存在，随着太阳的自转，也许两三天之后，它会转到面向地球的一侧。

图3 2014年10月15日，空间卫星太阳动力学天文台（SDO）在极紫外波段（171埃）获得的太阳日冕图片，图片左下方（太阳的东南方位）高耸的太阳磁力线环状结构起源于背离地球一侧的太阳表面，表明在那里有强磁场区域（黑子群）。

图4 2014年10月14日18:52，太阳圆面东南方向发生日冕物质抛射现象，红色为抛射的日冕物质，抛射的起源地位于日面背侧，此为太阳动力学天文台（SDO）卫星在三个极紫外波段观测的合成图

图5 2014年10月14日晚期的日冕物质抛射，日冕物质继续向外喷射，此为太阳及日球天文台（SOHO）卫星的观测图片

庞然大物初露峥嵘

经过两天的等待，2014年10月17日，第2192号黑子群终于露出了一丝面孔。又经过一天的太阳转动，2014年10月18日，整个黑子群呈现在太阳东南边缘附近。正如科学家们的预测，这是一个庞然大物，它的地盘可以容纳二三十个地球。更为让人惊心动魄的是，世界标准时间10月19日05时，这里爆发了一个X1级别的耀斑，这个剧烈的太阳活动事件在亚洲和大洋洲等地区引起了一连串的不利影响，造成这些地区的短波通讯中断。这进一步引起世界各国天文学家对它的关注，并且预测在未来的一段日子里，它将带来许多大规模太阳活动现象。

挑战历史

黑子群是太阳上的活动现象之一，太阳表面的黑子数目，有时多，有时少。1843年德国天文学家施瓦贝（Schwabe）发现，太阳黑子的多少存在平均约11年的变化周期，称为太阳活动周期。瑞士天文学家沃尔夫（Wolf）搜集了大量早期的太阳黑子观测数据，研究它的变化情况，发现1755年是太阳黑子数极小年份。天文学家将1755~1766年的太阳活动周期规定为第一个周期，1996年5月到2008年1月为太阳活动第23周期，持续12.6年。目前太阳处于第24太阳活动周期高峰阶段。

图8 2014年10月21日的2192号黑子群的高分辨图片

图6 太阳动力学天文台（SDO）10月18日拍摄的2192号巨大黑子群，作为对比，图中左下方为地球。

图7 2014年10月19日，世界标准时间05：00，2192号黑子群中发生的X1级别的大耀斑，太阳动力学天文台（SDO）拍摄

2014年10月18日，从太阳背面转出、位于太阳东南边缘的2192号黑子群，刚刚出场已是一个庞然大物。在随后的几天里它继续增长。10月20日，它所占的领地比前一天增大了三分之一，到10月21日，它的最大宽度达12500千米，相当于木星的直径，沿黑子群的最大宽度可以排列10个地球。10月22日，2192号黑子群的面积达到2410MH（MH是指太阳可见半球面表面积的百万分之一，通常以它为单位表示黑子的面积大小，作为比较，整个地球的表面积仅有169MH）。通常，面积300~500MH的黑子群就被认作大黑子群。这样说来2192号黑子群已称得上超级大黑子群，它已经超过本活动周期曾经的最大黑子群1967号的面积1580MH（2014年2月5日面积最大），跃居第24太阳活动周的第一位。

不过，2192号黑子群并没有停止发展的步伐，2014年10月23日，它的面积增长到2700MH，超过了上个太阳活动周的最大黑子群的面积2610MH（0486号，2003年10月23日至11月5日位于太阳的可见半球），成为近24年来的最大黑子群。1990年11月18日，6368号黑子群的面积达到3080MH。2014年10月27日，2192号黑子群更上一层楼，它的面积增长到2750MH，达到顶峰。

图9 2014年10月17日至30日，2192号黑子群在太阳可见圆面的变化，自左向右的移动由于太阳自转引起

偏食相伴

太阳表面出现近24年来的最大黑子群，大大地激发了太阳物理学家的科学研究热情，天文爱好者们也是争先恐后纷纷进行观测和摄影。巨大的黑子群带来了许多太阳耀斑，极大地提高了太阳的活动水平，使得地球和行星际空间变得不再安宁，地球电离层受到扰动，短波无线通信被中断，这给人们带来了兴奋也带来了不安。然而，更让人们兴奋的是，2014年10月23日下午（北京时间10月24日凌晨），月球悄悄来到太阳和地球的中间，遮挡住部分太阳圆面，日偏食发生了。此次日偏食，几乎整个北美洲地区都可观看，越往北部太阳被遮挡的部分越大，在美国佛罗里达州，12%的太阳圆面被月球遮挡，而在最北部的阿拉斯加被遮挡部分接近70%。超级大黑子群与日偏食共存，是个难得一见的奇妙天文现象，它给人们带来无穷乐趣，北美洲的天文爱好者体验和欣赏到了宇宙天体的超凡魅力。

图10 2013年10月23日（北京时间10月24日），超级大黑子与日偏食共存。

轰轰烈烈的表现

黑子出现在太阳光球，太阳光球是我们眼睛直接看到的太阳大气部分。从光球向外，还有太阳色球和太阳日冕两个层次，它们都是太阳大气的组成部分。太阳黑子的强磁场向外延伸可以达到色球和日冕层，构成一个强磁场区域，称为太阳活动区。太阳活动区是多数太阳活动现象的发生地，例如耀斑爆发和日冕物质抛射。

太阳耀斑是活动区磁场能量的爆发性释放，最常见的表现为色球局部区域增亮，一般在整个电磁波段都有强烈的辐射，另外还会产生高能带电粒子，主要为高能质子和电子。按照X射线辐射的强弱，可以将耀斑分为B、C、M、X四个等级，M级耀斑一般会对地球造成一些不利影响，X级耀斑的影响则非常明显。同样对地球影响巨大的太阳活动现象还有日冕物质抛射，受太阳磁场变化的作用，日冕物质会以爆发的方式向外喷射，包括带电粒子和电磁辐射，这往往也会给地球磁场及地球空间带来剧烈扰动。

图11 2014年10月22日，2192号黑子群爆发的X1.6级别的大耀斑，太阳动力学天文台（SDO）拍摄

图12 2014年10月24日，2192号黑子群中的大耀斑，此为耀斑的色球增亮图片

通常，黑子群的面积越大，它包含的磁场则越强，进而预示着将要产生更多个爆发性活动过程。当黑子群2192还藏在太阳背后时，就爆发了多个M级耀斑，并伴随有巨大的日冕物质抛射。10月17日，在转入可见日面后，它的面积持续增加，磁场结构变得交错复杂，表明它蕴藏着巨大能量。其面积在10月27日最大达到2750个太阳面积单位，成为自1990年11月18日以来面积最大的太阳黑子群。该黑子在进入可见日面后爆发了6次X级大耀斑和35个M级耀斑，以及更多的C级耀斑。按照耀斑爆发的次数和等级来讲，已经成为第24太阳活动周以来的最强活动区，因此，该黑子群可称得上第24太阳活动周到目前为止的“最大、最强黑子群”。

波及地球

2192号黑子群爆发的太阳耀斑对地球向阳面的电离层造成了不小的影响，使得这里发生电离层扰动，进而使短波通讯受到影响甚至中断。黑子群2192爆发的M和X级耀斑中，主要有两次爆发活动对我国电离层产生了明显影响：10月19日12∶17爆发的X1.1级耀斑，10月22日09∶16爆发的M8.7级耀斑就造成我国大部分地区的电离层发生短波吸收现象。其余的几次大耀斑爆发期间，我国大部分地区处于夜间时段，电离层受到太阳爆发活动的影响较小，然而，此时处于向阳面的其他国家和地区必然会受到较大影响。

但是，该黑子群在日面期间的所有爆发活动，没有发生太阳高能质子事件，也没有朝向地球的日冕物质抛射事件，卫星、导航、地面电力等技术设备和系统，可谓是没有受到伤害，这也是此次巨大黑子群活动的特殊之处。

13 2014年10月27日，2192号黑子群已经转到太阳圆面的西部边缘，将要转出可见日面

慢慢离开

2014年10月30日，2192号黑子群在爆发完一个M1.2级中等耀斑之后，终于开始“休息”，它也将离开太阳可见圆面，走到背后去。结束了它十几天的惊人表现。一般来说，黑子群的寿命，可达几天到十几天，甚至几个月。那么2912号黑子群的寿命能有多长呢？它能否再次转出日面，再次震惊世人？当时，给天文学家留下了一个悬念。另外，在第24太阳活动周未来的几年里，是否还能够出现如此强如此大的黑子群？或许更大的黑子群？创出30年之最、50年之最、或许百年之最？这些问题没有确定的答案，让我们拭目以待！

图14 2014年10月29日，位于太阳西南部边缘的2192号黑子群的磁场结构，太阳动力学天文台（SDO）在极紫外波段拍摄

再次复出今非昔比

图15 11月14日，重新转出日面的大黑子群，位于左下方。

2014年10月31日，2192号黑子群完全转到背向地球的太阳一侧，它完全离开了人们的视野。经过10多天的等待，随着太阳的自转，2014年11月13日，这个昔日的庞然大物，重又复出。不过，它不再具有曾经的威风。尽管在11月16日它的面积仍然达到940MH，称得上是大黑子，但是比上次出现时的最大面积2750MH差不多减小了2/3，呈现出衰退的景象。在重新转出后的十多天里，有影响的活动也仅有出现在11月16日的一个M5.7的大耀斑，爆发活动的数量和规模与上次出现相比，也不可同日而语，而且自11月19日开始明显衰减。不过，天文学家仍然关注着这个不平凡的大黑子。

图16 11月16日该黑子中爆发的M5.7大耀斑

（责任编辑 苏晨）