对太阳进行“天气预报”？！难道太阳上会下雨吗？

作者：苗娟（中国科学院国家空间科学中心）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

太阳无时无刻不在变化着，并且有多种活动方式，有规律性的，也有突发性的。天上的卫星、地面的台站，数不清的仪器在监测着太阳，人们可以借此预测不同太阳活动变化对地球空间的影响及程度，这就是针对太阳的“天气预报”。

太阳“天气”的决定因素是什么？如何进行预报呢？

太阳天气 关键看黑子

太阳黑子是人们最早观测到的太阳活动现象。1843年，德国天文爱好者施瓦布通过日常观测发现了太阳黑子数量的多少存在11年左右的周期。之后，随着观测数据的增加，这一规律不断被证实，并且人们发现黑子数的多少与这个时期的太阳活跃程度相对应。于是，太阳黑子数的这种规律变化成为人们划分太阳活动周期的标志，黑子数量的高峰年称为太阳活动峰年，黑子数最少年称为太阳活动低年，两次低年之间定为一个太阳活动周。

图1 太阳活动周变化示意图

至今，太阳黑子数仍是最典型、最具代表的一种太阳活动参数，人们对太阳活动周的预报主要体现在对太阳黑子数的预报。通过对一个活动周内太阳黑子数的预测，我们就可以判断未来一个太阳活动周的整体趋势，哪个阶段太阳会比较平静，什么时候会到达太阳活动周峰年，峰年水平会有多高，太阳风暴发生的强度和概率有多大等等。

图2 太阳黑子数年变化

除了太阳黑子数之外，人们还发现了另一种能代表太阳活动周变化的参量——太阳10.7cm射电流量（F10.7）。从长期的监测中人们还发现，F10.7和太阳黑子数有很强的相关性，F10.7值的大小也能很好地代表太阳活动的强弱，并且由于F10.7在地面就可以监测获取，长久以来在许多重要的电离层和中高层大气模型中，通常都是以F10.7作为输入来表征太阳活动的水平。因此，无论是过去、现在，还是未来，F10.7监测在太阳活动预报和研究中都将具有举足轻重的地位。

图3 F10.7和黑子数关系

在长期观测中，人们还发现11年大规律下还隐藏着小秩序，即在一个活动周中内，太阳黑子的出现并不杂乱无章，而是非常有“秩序”，开始先是在太阳较高纬度对称出现，之后逐渐向赤道推移，一周接一周，永不改变，这便形成了我们经常看到的美丽的黑子蝴蝶图。

图4 太阳黑子日面位置变化蝴蝶图

到此，我们是不是很了解太阳黑子了呢？并不是。20世纪初，美国天文学家海耳在研究黑子的磁性时，发现成对出现的太阳黑子的磁场极性总是相反，如果北半球上前导黑子是N极，后随黑子则是S极，而南半球黑子则相反，并且在同一太阳活动周期内两个半球上黑子群的磁极性分布保持不变。当下一个周期开始时，南北半球双极黑子的磁极性则发生对换。因此，黑子磁场的极性分布每隔22年经历一个循环，称为一个太阳磁周期。

图5 太阳黑子磁场变化

太阳风暴之前有哪些征兆？

1908年，海耳利用磁场能够导致光谱线分裂的塞曼效应原理推算出黑子具有3000-4000高斯的强磁场。1952年，美国巴布科克父子研制出了世界上第一台光电磁像仪，它可以测出强度仅有1高斯的弱磁场，从而使太阳磁场的研究从黑子区域扩展到整个日面。越来越多的磁场观测已经证实了黑子的演化和爆发都与磁场有关。

太阳风暴发生与否，关键决定于太阳黑子群的复杂程度。监测发现，黑子群的磁场结构越复杂，就越容易储存更多的磁能，也就更加容易产生大规模的太阳爆发活动，相反，那些面积小、磁场结构简单的黑子群由于没有能力储存更多的磁能，则几乎不会爆发或只爆发小规模的活动。历史上的那些强太阳风暴的发生都起源于具有复杂磁场结构的黑子群。因此，黑子群面积、磁场的实时监测，可以让预报员及时了解黑子群的发展和演化进程，为预测太阳风暴提供强有力的证据。

图6 黑子群与太阳爆发

如何做出“太阳天气预报”？

通过卫星云图监测，天气预报员可以告诉你会不会刮风、会不会下雨。太阳黑子爆发了，太阳风暴来了，我们如何知道？当然要靠太阳监测。而对太阳风暴的监测，最主要是对耀斑和日冕物质抛射监测。

耀斑是电磁辐射突然增强的一种表现，在太阳观测图上常表现为某区域的突然增亮，在Ｘ射线耀斑流量监测中则表现为流量的快速上升。耀斑发生时，预报员通过流量的监测可以实时判断耀斑发生的时间和级别大小，并可以快速地预测出电离层发生扰动的区域和强度。而不同波段的耀斑成像监测，不但清晰、详细地展现耀斑的爆发过程和爆发强度，通过图像，预报员可以及时确定耀斑发生的位置，分析所对应的黑子群活动情况，从而预测后期的再爆发概率。

图7 耀斑的Ha观测和极紫外观测

日冕物质抛射,正如其词义所表达的那样，是指从太阳大气中向行星际空间抛射出一团日冕物质，当其发生时，从日冕图像中会很清楚看到明亮物质喷出。通过连续的日冕成像图，就可以判断日冕物质抛射发生的时间、抛射的方向及传播速度等等，再结合日面黑子群和耀斑发生情况，就可以确定这团物质的源区位置。

目前，SOHO和STEREO卫星的的联合监测，实现了从不同角度对同一日冕物质抛射的立体观测，更加清晰地展现了日冕物质抛射的全过程。日冕物质抛射对地球的主要影响是引起地球磁场变化，产生地磁暴。而一般日冕物质抛出后，需要约1～4天才能到达地球，这样预报员有比较充裕的时间来分析日冕物质抛射的特性，并根据行星际到地球空间的各种观测资料，预测该团物质是否会到达地球、到达地球的时间及可能对地球磁场产生的影响程度。

图8 日冕物质及地磁暴

在耀斑和日冕物质抛射发生时，也可能伴随有高能带电粒子喷出，在监测中主要表现为不同能量段质子通量的增加，即我们常说的质子事件。根据实时的监测数据，预报员可以判定此次质子事件的级别、发展过程，并预测可能持续的时间，及时发出警报和预报信息。

预报员的“眼睛”——卫星

人类对太阳活动的监测已有几百年的历史，随着人类活动进入太空，卫星在太阳活动监测中起到了巨大的作用。在过去半个多世纪的航天史上，有一系列经典的卫星被送入太空。人类对太阳的认识，对地日关系的理解，对太阳风暴的监测……，离不开这些置于太空中的锐眼――SOHO、STEREO、SDO等等，将来还会更多，每颗卫星都搭载有多种探测仪器，实现不同的功能。

SOHO是首当其冲的第一颗，1995年12月2日发射升空，目前仍在服役当中。可以毫不夸张地说，在SOHO之前人类从未有过这样的机会，可同时对整个太阳，从内到外进行如此综合的探测。此后2006年发射的STEREO双子星，2010年发射的SDO，一颗又一颗的“大眼睛”，为人类揭示着这个神秘气体球的多种面孔。

图9 SOHO卫星对太阳的探测

向它们致敬，更向其身后的科学家们致敬！！！