Calling太空：太阳活动周要开始了？

来源：国家空间科学中心

作者：李志涛

2019年11月1日，打破连续28天日面上没有黑子的沉默，一个新的太阳黑子（AR2750）浮现在太阳南半球（图1）。在这张来自美国宇航局太阳动力学观测站（SDO卫星）的局部太阳表面磁图中，我们可以清楚地看到这个黑子。

图1  AR2750

值得注意的是AR2750的位置：S28E25，即纬度偏高；磁场极性：+/-。这两个特征与目前隶属第24太阳活动周的南半球太阳黑子截然相反，意味着该黑子属于下一个活动周——第25太阳活动周。

那么，现在是不是第25太阳活动周已经开始了？

1.  一个新太阳活动周到来时的黑子特征

一般来讲，判断一个新的太阳活动周的到来，有两个决定性因素：（1）在相对较高的太阳纬度出现新的太阳黑子，（2）新的太阳黑子磁场极性的逆转。

其中，第一个因素最初由理查德·卡林顿于1861年提出，后来由古斯塔夫·斯派勒在一个以他的名字命名的定律中定义。斯派勒注意到，从长期看，太阳黑子位置的纬度变化也存在11年周期的变化规律。在一个太阳活动周开始时，黑子一般都出现在纬度30度左右；随着黑子数的增加，黑子出现的纬度逐渐降低，在黑子数达到极大时，平均纬度15度左右；当太阳活动周结束时，黑子的平均纬度10度以下。如果按纬度绘制出太阳黑子随时间而出现的外观，就会得到一个整洁的“蝴蝶图”（图2），描绘了从最小到最大再到最小的 11 年太阳活动周期。

图2 太阳黑子在日面上的纬度分布-蝴蝶图和各太阳活动周太阳黑子

（源自 NASA/MSFC/Solar Physics division）

第二个因素，直到20世纪随着观测技术的进步才能发现它。1908年，美国天文学的先驱乔治·埃勒里·黑尔使用威尔逊山天文台的太阳望远镜，注意到太阳黑子对的旋转方向相反，利用塞曼效应来推断黑子的磁场，进而得出结论，在每一个太阳活动周太阳都会逆转其强大的磁场，而反转周期为22年，同一半球则回到同一周期，称为“黑尔周期”。即在一个太阳活动周内，太阳北半球或南半球的太阳黑子对在磁图上以相反的形式出现，若太阳北半球前导黑子有正的极性（北极）、后随黑子就有负的极性（南极），而在南半球的前导黑子为负的极性、尾随黑子有正的极性。到了下一个太阳活动周则完全相反，直到下下个太阳活动周再次反转回来。

图3 第n周和n+1周的黑子极性

让我们回到太阳黑子AR2750的新鲜案例，它完全符合第25太阳活动周的特征。

然而，进一步往前两年回溯，我们会发现，属于第25太阳活动周特征的黑子在之前的2016年12月20日（AR2620）、2018年11月17日、2019年5月28日、2019年7月1日、2019年7月7日（AR2744）就分别记录过。而这些时间尚处于第24太阳活动周中。这样就出现了新老活动周（第24和25活动周）的新旧黑子交叉出现的重叠期，完全符合新老太阳周的交接过程中的过渡期特性，即“蝴蝶图”中相邻的两只“蝴蝶”翅膀有重叠部分。

因此，虽然这些黑子属于第25太阳活动周，仍然不能根据这几个新特征黑子就判定第25活动周的到来。

2. 预测第25太阳活动周何时开始

一个太阳活动周的开始，最科学的判定依据是，太阳黑子数平滑月均值达到最小值。目前，根据太阳黑子数平滑月均值的计算规则，其最新值是2019年5月的3.9（图4）。与之前相比，还在缓慢下降中，还无法判断是否到了谷底。 

图4 第24活动周的观测和第25活动周的预测（源自SEPC）

我们通过分析以往的活动周交替期的谷值数据，并根据最新的观测数据来预测太阳黑子数平滑月均值的最小值出现时间。    

首先，太阳F10.7指数的平滑月均值与太阳黑子数的平滑月均值有很好的相关性（图5），过去几个交替期，几乎都是同时到达谷值。因此，在预测时将F10.7作为重要的考虑因素。 

图5 太阳F10.7指数与太阳黑子数的平滑月均值相关性

表1 活动周交替期间的太阳F10.7/黑子数的月均值谷值与平滑月均值谷值时间