太阳黑子

太阳黑子，是指太阳表面因温度较低形成的暗区。太阳黑子是太阳活动最明显的标记。最早关于太阳黑子的记载是出现在公元前800年中国的《周易》一书中。西方关于太阳黑子的记载是在公元前300年由古希腊学者泰奥弗拉斯托斯提出。黑子相对数的变化是太阳活动强弱的重要指示。

公元前800年春秋早期，《周易》一书X现就对太阳黑子的记载：“日中见斗”和“日中见沫”。公元前四世纪中期（战国时期），中国的天文学家甘德发现并认为黑子是太阳的一部分，并称太阳黑子为“日食”。公元前165年，《玉海》一书也对太阳黑子有过记载。但是世界公认的是公元前28年《汉书·五行志》中对太阳黑子的记载：“和平元年……三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”据统计，中国从汉和平元年到明朝末，有100多次对太阳黑子的纪录。

西方文献中X次明确提及太阳黑子是在公元前 300 年左右，由古希腊学者泰奥弗拉斯托斯 (Theophrastus)提出，他是柏拉图和亚里士多德的学生。公元807年左右，艾因哈德的《查理曼的生平》中对太阳黑子有所记载：文中描述了公元807年3月17日，太阳中心偏上方出现了小黑点，他们对其进行了8天的观测，但是由于云层的关系，小黑点的出现和消失，他们没有观察到，他们认为这明显的斑点是水星造成的。1128年，John of Worceste在他的《约翰的编年史》中也提到了太阳黑子，并且绘制了X张太阳黑子图。1610年，英国天文学家托马斯·哈里奥特在望远镜的帮助下，通过笔记和草图详细描述了他对太阳黑子的观测结果。1611年，大卫和约翰内斯·法布里修斯父子独立发现了太阳黑子。几个月后，约翰内斯·法布里修斯 (Johannes Fabricius) 出版了一本名为《论太阳中观察到的黑子及其随太阳自转》的书。约翰内斯·法布里修斯29 岁去世后，他的纪录因为晦涩难懂，被克里斯托夫·沙伊纳 ( Christoph Scheiner )和伽利略·伽利莱 ( Galileo Galilei)出版物所掩盖。伽利略很可能与哈里奥特大约在同一时间开始望远镜观测太阳黑子。然而，伽利略的记录直到1612年才开始。

19世纪初，威廉·赫歇尔（William Herschel）是最早将太阳黑子与地球加热和冷却等同起来的人之一，在他研究太阳行为和太阳结构的过程中，无意间发现了从 1795 年 7 月到 1800 年 1 月太阳黑子相对缺失的情况，由此他发现，太阳黑子的消失与英国小麦价格的高涨同时发生。多年后，科学家如理查德·卡林顿 (Richard Carrington)和约翰·亨利·坡印廷 (John Henry Poynting)于 1865 年和 1884 年尝试寻找小麦价格与太阳黑子之间的联系，但均以失败告终。现代分析发现，小麦价格与太阳黑子数量之间不存在统计上显着的相关性。

太阳黑子是太阳表面比周围区域温度更低的区域，太阳黑子是由太阳磁场形成的。也可以解释为在太阳的光球层上，有一些旋涡状的气流，看起来是黑色的，这些旋涡气流就是太阳黑子。太阳黑子是人们X可能观测到的。 

整个太阳上的黑子X及太阳黑子的特写

太阳充满了非常强的磁场，当太阳以不同的速度旋转时，赤道旋转的速度比两极旋转的速度快，就会产生“差异旋转” 。随着太阳的旋转，最终磁场会“突然”上升并突破表面。当这种情况发生时，太阳内部的气体会被磁场粘住或“冻结”，磁场的强度压倒了对流和重力，并将气体固定在适当的位置。当气体被冻结在磁场中时，对流就会减慢或完全关闭，从而阻止能量从太阳内部更深处到表面的对流转移。如果在该磁场位置通过太阳传播的热量较少，则该处太阳表面温度比周围环境温度低，并且看起来比周围环境更暗就形成了太阳黑子。

太阳黑子的平均面积大约有整个地球那么大。然而，太阳黑子的大小是不一样的，它们的直径大小可能从 10 英里（16 公里）到 100,000 英里（160,000 公里）不等。1947年，科学家发现了最大的太阳黑子X，其面积约为地球表面积的18倍。

太阳黑子区域的温度比太阳周围区域的温度相对较低。太阳黑子的温度变化范围为 3000 ~4000 K，比太阳周围表面的温度 (5,778 K) 低约 2000 K。

太阳黑子最暗的区域（也是X个被观察到的区域）称为本影。随着太阳黑子的成熟（变得更加强烈），在本影周围会形成一个不太暗的、轮廓清晰的纤维状结构的外围区域被称为半影。2014年，天文学家观测到在黑子本影区存在着很强的亮桥结构，在亮桥结构的上方存在着垂直振荡的亮结构，像是立在亮桥上的一堵墙，所以形象的将其命名为亮墙。亮墙的平均高度为3.6兆米。亮墙的整体都要比周围区域明亮，整个亮墙属墙顶最亮，在SDO的多个极紫外波段可见。亮墙的顶部上下运动，形成连续的振荡，平均振幅和平均振荡速度分别为0.9兆米和15.4千米/秒，主振荡周期为3.9分钟。综上成熟的黑子结构由本影、半影、亮桥、亮墙组成。

太阳黑子基本结构示意图（来源于中国科学院国家天文台）

太阳表面存在的太阳黑子X数量一般是由太阳黑子相对数来衡量的。太阳黑子相对数 (RSN) 也称为沃尔夫数、国际太阳黑子数或苏黎世数，是由鲁道夫·沃尔夫 (Rudolf Wolf) 于 1849 年在瑞士苏黎世提出的。太阳黑子相对数 (R)，基本上由组数（G）和点数（F）通过简单的公式计算得出：R = K (10 G + F)，其中K是一个系数，它取决于观测者所用望远镜的性能、观测地点的天气条件、观测者的经验以及黑子X的分X方法。日本三鹰天文台1939年3月1日至2019年9月30日期间，分别记录北半球和南半球的每日太阳黑子相对数。他们对相同时间间隔来源不同的黑子数量进行了相关分析，得出K系数为0.8862。兰卡威国家天文台（LNO）对2013年至2015年太阳黑子观测数据进行了分析，观测与每年X季度天空最有利于观测的季节性气候相关，并且是在3个不同的观察者之间进行的，其中总共观察592天，占3年的55.3%，得出K系数为0.8045。

黑子是太阳磁场的聚集区域，太阳爆发活动的源头就是黑子所在的活动区。太阳黑子成对出现，沿东西方向排列，一组将具有正磁场或北磁场，而另一组将具有负磁场或南磁场。在黑子内部本影磁场接近垂直，而半影磁场相对倾斜。但是本影中的亮桥和半影中的径向纤维中的磁场与背景环境结构明显不同。根据观测和模拟数据显示，在黑子内部磁场环境突变会产生由磁重联驱动引起在亮桥附近的增亮和喷流，以及整个半影中的微喷流等。半影中的磁场结构复杂，由两个不同的磁力线系统组成被称为互锁梳状结构，使得外半影磁场强度下降得相当快。太阳黑子的磁场比周围光球层强约 1000 倍。

黑子常成对出现，大黑子周围有小黑子，并逐渐增加，在形成复杂的黑子X，然后又逐渐减少。太阳黑子从最少到最多再回到最少，大约有11年的周期。太阳黑子的平均寿命约为1天，也有少数大黑子可存在数月或一年以上。太阳黑子数最少的那一年被称作太阳活动极小年；最多的那一年则被称作太阳活动极大年。从大约1645 年到 1715 年，太阳经历了一段太阳黑子活动接近于零的时期。  这个太阳黑子极小期被称为蒙德极小期。1890年英国天文学家蒙德每天对太阳黑子进行持续观测并绘制了太阳周期过程中太阳表面斑点的位置图，它们形成的图案就像一只蝴蝶。蝴蝶图案的原因是每个新周期的X个太阳黑子大多出现在太阳的中纬度地区，但随着太阳周期的进行，太阳黑子产生最多的区域向（太阳）赤道移动。

蒙德蝴蝶图

太阳黑子除了11年的周期性，还有其他周期性。天文学家对1700-2012年逐年和1987-2012年逐日太阳黑子资料的分析，得出27.4天、11年、111.6年为全时域显著周期，55年为局部时域显著周期。

太阳黑子活动强弱会影响地表气温。太阳风活动的强弱与黑子有关，黑子越多，太阳风活动越强。太阳风活动的强弱决定了宇宙射线的多少，宇宙射线又影响着云层的覆盖面积。云层越多，地球受太阳辐射越少，气温越低。

太阳黑子对地球影响

太阳黑子极少时期导致太阳风压的减弱，使得来自深空的宇宙射线能够穿透内部太阳系，这种效应导致辐射增加。宇宙射线可能会改变地球高层大气的化学成分，引发闪电和种子云。宇宙射线可以穿透飞机，乘坐长途商业航班的乘客在单次旅行中受到的辐射量与牙科 X 射线类似，而飞行员则被国际放射防护委员会 (ICRP)归类为职业辐射工作者 。

 平滑太阳黑子数会改变电离层介质的透射特性，从而使高频通信频率受到影响。平滑太阳黑字数值过高，会干扰高频信号的传输。

2006年10月，中国江苏省天文学会对太阳黑子的观测发现几乎不见黑子，表明太阳进入暂时的活动低谷期。

2012年，日本名古屋大学名誉教授上出洋介领导的研究小组报告太阳北半球、南半球黑子数量变化导致太阳的北极和南极以大约11年为一个周期出现磁极颠倒现象。同年美国宇航局观测到太阳表面巨大太阳黑子喷发，此次超级太阳黑子直径有6万英里。这预示着将有很猛烈的太空气候，美国宇航局将这次的太阳黑子喷发命名为“AR 1476”。

20X，中国国家天文台项目研究员李婷等人利用云南澄江抚仙湖一米新真空望远镜观测到太阳黑子附近的色球表观扇形喷流。，同年，中国国家天文台科研人员在太阳黑子中发现特殊磁场位型下的磁重联过程。美国宇航局研究人员根据近距离观察太阳黑子的航天器分析太阳耀斑不仅会影响国际空间站和航天器上的生命，也会影响地球上的生命。而太阳黑子通常发生在太阳耀斑之前，所以对黑子的监测很重要。美国科学家根据欧洲航天局的太阳与日光层观测卫星（SOHO）上的迈克尔逊－多普勒成像仪的数据首次绘制出了太阳黑子内部的细节图像，这一研究成果有助于对太阳黑子产生和活动的机制的研究。

2023年8月17日至8月20日，美国宇航局（NASA）的“毅力号”火星漫游车在探索火星的杰泽罗环形山时观测到太阳表面出现了一个巨大的黑子，可能会继续增大并在太阳表面移动。专家警告称，这个黑子可能会释放高能爆炸，导致地球电网瘫痪。

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