太陽週期 Solar Cycle

近日觀測太陽，每次都看到太陽表面有多組黑子（sunspot）、日珥（prominence） 同時出現，甚至出現毋須放大已可見的巨大黑子（仍需適當減光），這些都透露太陽活動正步入高峰期。而這些活動會時多時少出現周期變化，稱為「太陽周期（Solar Cycle）」。

天文 太陽 Sun
上月使用裝有氫- α濾鏡的望遠鏡拍攝太陽（波長656nm，呈暗紅色。相片經偽色處理），可見約10組黑子及日珥。

 

進入第25個太陽周期

根據多個研究機構的觀測數據整彙及發布，第25個太陽週期已於2019年12月開始，預計將在2025年達到極大期。目前各種太陽活動正在穩步增加中，而且可能比預計更活躍。觀測太陽黑子的數量是追蹤太陽活動週期的一種方法，太陽黑子最少的時候，也就是太陽最小值（solar minimum）可被判斷為太陽活動週期的開始。隨著時間的推移，太陽活動和太陽黑子的數量會增加，太陽最大值（solar maximum），也就是太陽黑子最多的時候，約太陽活動週期的中點。然後，太陽活動會慢慢減到最小值，然後開始新的週期。

太陽 sun 太陽周期
由於要待太陽活動回升及各項測量後，才能判斷太陽最小值，所以現周期的起點在2020年才確定並回朔至2019年12月。

 

太陽周期起點

自伽利略（Galileo Galilei）等人400年前的十七世紀，開始使用望遠鏡投影觀測並記錄太陽黑子，人類對太陽的認識打開了新的大門。太陽不再是「完美」的光盤，雖然當時尚未知道黑子是太陽表面較冷和暗的區域，但其移動和變化，讓人類察覺太陽的自轉和活動。

 

Galileo’s Sunspot drawings from Alison Loader on Vimeo.

史瓦貝（Samuel Heinrich Schwabe）在十九世紀中期根據太陽黑子的觀測數據，提出當中有約10年的周期化。沃夫（又譯胡夫，Johann Rudolf Wolf）按史瓦貝的發現並考查至17世紀的記錄統計，推導出約11年的太陽活動周期，提出量化黑子活動的方法—太陽黑子數/太陽黑子相對數（sunspot number/ sunspot relative number），又稱沃夫數（Wolf number），沿用至今。

R=k (10g+s)

此處R是黑子數，s是單獨計算的黑子數目，g是黑子的群數，
k是隨地點和儀器改變的因素（也稱為天文台因素）

太陽黑子 太陽
沃夫以1755年起定為第1個太陽周期，至今第25周期，長度由8-12年不等，黑子數亦有所變化。在比利時皇家天文台（Royal Observatory of Belgium）中設立的世界數據中心從1981年起負責收集、保存和發布國際太陽黑子數（international sunspot number） 。

 

比利時皇家天文台的科學家至今仍每日使用The Uccle Solar Equatorial Table（USET）逾百年歷史的望遠鏡投影及手繪記錄太陽黑子。

 

太陽的磁場活動
早於19世紀，已有科學家發現太陽耀斑（flare）可以影響地球的磁場。現代有不同的工具和方法觀測太陽的磁場及多種活動，發現均與其磁場的活動及變化有莫大關連。

把太陽黑子、日珥、日冕、磁圖影象疊合，可見黑子兩端帶有不同磁場極性，磁場活動與太陽表面的活動重疊。透露磁場活動亦是造成這些活動的成因。
太陽 磁場 黑子 蝴蝶圖
天文學家標示太陽黑子出現的緯度和大小隨時間變化，得出南北對稱的圖表，有點像蝴蝶翅膀而稱為蝴蝶圖（butterfly diagram）。隨著磁場的測量，可見太陽磁場隨太陽周期南北翻轉。因此，磁場翻轉成為判斷太陽周期的重要條件。

從數百年記錄太陽黑子的時空分佈，到近代磁場測量、星震學等，人類一步步理解太陽。磁場周期翻轉引發太陽黑子等活動反覆爆發，不單停留在太陽表面，並延伸到整個太陽系。

 

太陽活動與太空天氣

太陽耀斑和日冕噴射的高速帶電粒子所形成的太陽風，這些主要來自太陽活動和其他幅射對地球和附近太空引致的影響，稱為太空天氣。太陽各種活動引發的太空天氣會對地球帶來不同程度的影響，可能會影響人造衛星和太空船的運作、擾亂地球磁場、干擾無線電通訊、供電設施、甚至地球的氣候等，但亦可產生美麗的極光。因此，全世界已建立多個地面和太空的專業太陽觀測台站，利用不同波段的望遠鏡和探測器對太陽進行24小時監測,提供實時數據，讓有關人士作出應對和預備。例如太空中有SDO、SOHO、HINODE等，地面有CSRH、CLST、DKIST、UCoMP等。這些先進設備使人類可以更清楚地了解太陽的各種活動和週期變化。

當日冕巨量噴發（Coronal Mass Ejection , CME）朝向地球，大量高速帶電粒子有機會影響地球磁場，亦會沿地磁移至南北極附近甚至更遠的高空與大氣作用，形成極光爆發。

 

安全觀日
雖然大部分來自太陽的有害輻射都已被地球的磁場和大氣層阻隔，但直視陽光或其反射仍會讓眼睛受到不可逆轉的傷害。觀察時必需使用安全可靠的工具和方法。

受到大氣層阻隔的太陽輻射如紫外線、X射線等，則可以利用人造衛星在太空觀測。除了到各所屬網站下載數據，我們可以使用Helioviewer網站或程式同時查看多個衛星的太陽最新或過去的影象，亦有操作更簡單的Student HelioViewer方便初學者瀏覽。


隨著太陽周期步入高峰期，相信近年可從各渠道和方法，看到壯觀的太陽活動。觀察時必須注意安全，避免自己與同行者受到傷害，就可以欣賞自然之美。

 

延伸閱讀

教育資源 – 太空天氣｜香港天文台(HKO)

https://www.hko.gov.hk/tc/education/educational-resources-webpage/Space_Weather_Category.html

The Helioviewer Project

https://helioviewer-project.github.io/about/

 

參考資料

Hello Solar Cycle 25
https://www.weather.gov/news/201509-solar-cycle

SIDC — Solar Influences Data Analysis Center | SIDC
https://www.sidc.be/

Solar Cycle progression | Solar activity | SpaceWeatherLive.com
https://www.spaceweatherlive.com/en/solar-activity/solar-cycle.html

Solar Cycle 25 Is Here. NASA, NOAA Scientists Explain What That Means
https://www.nasa.gov/press-release/solar-cycle-25-is-here-nasa-noaa-scientists-explain-what-that-means

Solar Cycle Progression | NOAA / NWS Space Weather Prediction Center
https://www.swpc.noaa.gov/products/solar-cycle-progression

SDO | Solar Dynamics Observatory
https://sdo.gsfc.nasa.gov/data/

The Galileo Project | Science | Sunspots
http://galileo.rice.edu/sci/observations/sunspots.html

What Is the Solar Cycle? | NASA Space Place – NASA Science for Kids
https://spaceplace.nasa.gov/solar-cycles/en/

 

天文導師
曾展鈞

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