发布单位:台北市立天文科学教育馆

  极光的活跃程度和太阳活动有关,当太阳活动增加时,太阳黑子数将有明显地增加。根据美国太空总署NASA和海洋大气总署NOAA公布的2023年2月份太阳黑子数显示,原先的黑子数预测值仅只有66、实际观测值却超过了110!这显示近期太阳活跃程度超乎预期,地球高纬度的极光活动也因此明显增加。

2023年3月11日台北天文馆拍摄的太阳表面,可以见到太阳黑子数量明显增加。
图说:2023年3月11日台北天文馆拍摄的太阳表面,可以见到太阳黑子数量明显增加。

  太阳黑子的活跃周期为11年,我们现在身处太阳活动的第25周期从2019年底开始,预期将在2025年中达到极大期。但自2021年中开始,太阳黑子的实际观测数量就已经超越了预测,而且观测值一直保持在预测值之上,2023年1月的太阳黑子数达到143,几乎与2014年极大期时黑子数146相当!现今的太阳可说是超乎预期的活跃。

2023年初太阳黑子数即已超越预测,甚至与预测2025年的极大值相当。
图说:2023年初太阳黑子数即已超越预测,甚至与预测2025年的极大值相当。

  该预测值来自于国际太空环境服务局(ISES)的太阳周期预测小组,这个小组以各种物理模型、演算法、统计推断、机器学习和其他技术做出预测,是太阳活动预报的权威机构。根据预测,目前进入的太阳活动第25周期将在2024年11月至2026年3月间来到极大期,峰值预测是2025年7月的115,但太阳黑子数早已在去年12月起达到此一水准。

实测的F10.7太阳辐射量更是明显较上一周期高。
图说:实测的F10.7太阳辐射量更是明显较上一周期高。

  ISES还同步发表了太阳无线电指数观测与预报值,10.7公分(2800兆赫)的太阳辐射通量是太阳活动的极好指标,它与太阳黑子数、太阳辐照度记录都有密切相关性。了解太阳活动程度对于近地轨道卫星的寿命很重要,因为卫星上的阻力与太阳活动息息相关,特别是与10.7公分的辐射强度相关。较高的数值会缩短卫星寿命,而较低的太阳活动则会延长卫星寿命。此外,从无线电中断等等的所有类型太空天气风暴事件都会与通讯、电子设备和人类活动相关,因此随着太阳活跃程度的提高,人们开始更加注重太空天气的影响。

  尽管当前太阳的活动明显高于官方预测,但太阳的活动仍处于相对正常的范围内,因此没有什么特别令人担忧的。不过,这对爱好天象的民众而言可能是好事情,预期极光的亮度和出现频率将大幅增加,若想前往北欧、美加等高纬度地区观赏极光的朋友们可得赶快开始规划行程了。(编辑:台北天文馆谢翔宇)

资料来源:Solar Cycle Progression

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发布单位:台北市立天文科学教育馆

  太阳黑子AR2838于2021年7月3日突然在太阳表面爆发,并迅速释放了2017年9月以来最强的太阳闪焰,强度规模达X1.5级。强烈的X射线以光速飞向地球,大约在8分钟后和地球的大气层顶部相撞,导致了大西洋和沿海地区短波无线电中断的情形发生。

  由于太阳黑子AR2838位于太阳表面的西北边缘,并将在接下来的两周内进入太阳的另一侧(地球不可见)。如果AR2828没消失的话,将在7月下旬重新出现在近地球的这一侧。

  X级闪焰是强度最高的太阳闪焰等级,通常是造成最严重的无线电波干扰和最强大的地磁风暴的来源。这是目前太阳周期25的第一次X级闪焰爆发,在最后一个太阳周期(太阳周期24)中,总共产生了49次X级闪焰,预料未来会有更多的X级闪焰出现。

  太阳闪焰是太阳盘面突发的闪光,是电浆物质在太阳表面被加热至热运动速度接近光速时所放出的电磁辐射,功率峰值落在可见光范围外。强烈闪焰的X射线和紫外光会影响地球的电离层,干扰无线电讯号。

  有时日冕物质抛射(CME)也会伴随闪焰出现,这些高能带电粒子如果直扑地球而来,可能损害地球上的通讯系统及电力设备,甚至对轨道上的太空人产生健康的威胁。(编译/台北天文馆吴典谚)

美国太阳动力学天文台(SDO)于7月3日捕捉到了这一闪焰(见太阳右上角十字处)。
美国太阳动力学天文台(SDO)于7月3日捕捉到了这一闪焰(见太阳右上角十字处)。

资料来源:spaceweather.com


闪焰就是耀斑。
地磁风暴就是磁暴。
电浆(Plasma)就是等离子体。

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第24太阳黑子周期极大期的太阳(左,2014年4月)与极小期(右,2019年12月)。
第24太阳黑子周期极大期的太阳(左,2014年4月)与极小期(右,2019年12月)。

  刚结束历时11年的第24太阳黑子周期,相较于最近其他的周期明显较弱,即使在2014年4月为黑子数量峰值时,太阳黑子数量以及太阳闪焰和日冕物质抛射都相较少。先前,美国国家海洋与大气管理局(NOAA)与NASA的人员认为,第25周期也将是弱黑子周期,黑子的峰值为115,相较于第24周期,数达最高为116。但是由美国国家大气研究中心(NCAR)的科学家却不同意。他们在2020年12月宣布,预测第25个太阳黑子周期将是1755年开始记录以来最强的周期之一。他们认为,极大期时太阳黑子数量约210到260之间!相关论文发表于journal Solar Physics

  如果由NCAR的预测得到证实,它将为团队的理论提供支持,即太阳有22年重叠的磁循环,而约11年的黑子周期则它的副产品。研究作者说,这22年的周期,可能是准确预测黑子周期的时间以及性质等关键因素。NCAR副主任Scott McIntosh也表示:如果证明理论正确,表明我们理解太阳内部磁力机理论是正确的。

  在McIntosh先前工作中,他和他的同事们通过观测日冕亮点,即太阳大气在极紫外光波段的短暂闪烁,勾勒了22年太阳周期的轮廓。在观测约20年的资料里,可以看到这些亮点从太阳的高纬度移到赤道。当它们越过太阳中纬度时,亮点与出现黑子活动相吻合。

  McIntosh认为,亮点标志着环绕太阳的磁场带的传播。当来自北半球和南半球的磁场带(具有相反磁场)在赤道相遇时,它们会相互湮灭而造成『终结子』事件。终结子事件是太阳22年周期的关键,因为它们标记一个磁周期的结束以及相应的黑子周期,并触发下一个磁周期的开始。他认为,一组带着相反的磁场带在向赤道见面的迁移中途时,另一组磁场带出现在高纬度并开始迁移。这些磁场带以近固定频率(约11年)出现在高纬度,但它们越过中纬度时会变慢,这似乎削弱了即将到来的太阳周期的强度。这是因为减速的作用增加相反磁场带重叠并相互干扰的时间,也会延长当前的太阳周期并减少下一周期的黑子生成率。

  另一位作者Bob Leamon也表示:当回顾长达270年的观察记录的终结事件时,我们发现终结事件之间时间越长,下一个周期就越弱。相反,终结事件的时间越短,下一个太阳周期越强。过去,科学家很难看到这种相关性,因为传统上测量黑子是从太阳黑子最小值到另一最小值的黑子周期的长度,这是使用平均值而不是精确事件定义。在这项新研究中,研究人员对终结事件进行测量,这可以提高精度。

  虽然终结子事件大约每11年发生一次,并标志着黑子周期的开始和结束,但实际时间会改变。例如,第4黑子周期4始于1786年的终结子事件,止于1801年,其间长达前所未有的15年。接下来第5黑子周期非常弱,其黑子峰值只有82。这也是道尔顿极小期(Dalton Minimum)的开始。同样,第23太阳黑子周期从1998年开始,直到13年后的2011年才结束。因此,第24太阳黑子周期既弱且短(不到10年)。因此,研究人员对第25太阳黑子周期的预测很乐观。(编译/台北天文馆助理研究员李瑾)

22年重叠的磁循环
  左图以红色和蓝色表示的相反的磁场带在22年间向赤道移动。当它们在赤道相遇时,他们会互相湮灭。右上图显示了黑子的总数(黑色)以及北半球(红色)和南半球(蓝色)的贡献。右下图显示黑子的位置。

资料来源:EarthSky.org

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发布单位:台北市立天文科学教育馆

  虽然夏威夷的井上建太阳望远镜(DKIST)还未完成,但是它在2020年1月28日拍摄的第一张黑子图像已经是有史以来最清晰的太阳黑子,黑子强烈活动的细节另人屏息凝视。DKIST所拍摄太阳表面的磁场结构可以小至20公里,太阳黑子解析度是以前的2.5倍。

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  大部分的太阳表面是围绕黑子周围的米粒组织,每一个米粒组织都是对流的单元,中间的热电浆上升,在冷却时会游移至边缘,然后回落到太阳表面,典型的米粒组织很大,一个约有1,500公里宽。(NSO / AURA / NSF)

  太阳黑子所在位置的太阳磁场特别强,恒星的正常对流活动受到抑制。因为磁力线阻止了热电浆从内部升起,所以黑子的温度比周围的温度约低三分之一,看起来也更暗。

  当这些磁力线断裂、缠绕及磁重联时,会释放出大量能量,产生太阳闪焰和日冕喷发。这些来自太阳的强烈的电磁波可能会破坏地球的卫星通信、导航,严重时甚至会破坏电网(虽然很少发生),因此,科学家们非常热衷于研究黑子。

黑子周围的米粒组织

  这张图像的区域全长约为16,000公里(地球直径12,742公里),当科学家们利用DKIST为该区域成像时,能够追踪约100秒内短时间的精细结构的变化(参考上方的 gif 动画)。箭头指出了在本影点(UD)和半影颗粒(PG)中经常被观察到狭窄的暗线。研究人员表示:通过磁对流的数值模拟,狭窄的暗线是磁场强度较低的区域中,其强烈上升气流的结果。通过对磁对流的数值模拟,可以预测明亮的UD和PG中的狭窄暗道,这是磁场强度。DKIST的分光偏振仪器将允许对这些小型特征进行详细分析,并与模型预测互相比较。

  科学家希望更能了解太阳活动,并改善预测太空天气的能力。(编译/台北天文馆刘恺俐)

资料来源:Science Alert

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发布单位:台北市立天文科学教育馆

  新冠肺炎的疫情影响了全球,而在西班牙的科学家们也不例外,但是他们没有虚度光阴,反而动手建立起光学实验室,以期改善GREGO太阳望远镜的解析能力,在这将近一年的努力下,升级后的望远镜,其解析能力小至太阳表面50公里大小。

  科学家使用了一组镜子解决两个像差问题,即彗形像差和像散,它们会导致图片模煳或扭曲。为了完成这项艰钜的任务及配合光学实验室的规模大小限制,这些镜子必须完全用离轴抛物面镜取代,且抛光精度仅容许至头发宽度的万分之一,约10奈米左右的大小。

2020年7月30日太阳黑子的实际影像
▲2020年7月30日太阳黑子的实际影像

  七月底,研究团队终于启用了升级后的望远镜,动画中显示了7月30日的唯一一颗太阳黑子,这是太阳磁场特强的临时区域,抑制了太阳正常的表面对流活动,使其表面看起来较暗,科学家们对于这些太阳黑子区域非常感兴趣,尤其是这些磁力线的断裂、缠绕及磁重联等等现象导致的大能量释放,例如:太阳闪焰及日冕物质抛射,均有机会影响我们地球上的通讯及干扰卫星定位系统的运作。

  目前世界上有四台类似的太阳望远镜,按口径大小排列为井上建太阳望远镜(DKIST,4公尺)、麦克梅斯-皮尔斯太阳望远镜(McMath-Pierce Solar Telescope,2公尺)、大熊湖太阳天文台(BBSO,1.6公尺)、第四名即为本文所提及的GREGO太阳望远镜(1.5公尺),其中井上建太阳望远镜的解析度更可小至30公里,这些观测站都可以帮助我们更了解太阳的运作过程,该望远镜升级论文发表在《天文学及天文物理学》期刊上。(编译/台北天文馆研究组技佐许晋翊)

资料来源:Science Alert


1奈米 = 1纳米 = 1毫微米
1公尺 = 1米

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发布单位:台北市立天文科学教育馆

  AR2765,第25太阳周期的最新太阳黑子,是目前太阳盘面上唯一的黑子,不过它并不是唯一的亮点。在AR2765周围,弯曲延伸的日珥形成更大的结构,随着时间及不同的观察波段呈现不同的样貌,犹如摆动的蝎子尾巴。

  日珥是太阳磁场活动的产物,太阳黑子也是,因此日珥有时候会伴随太阳黑子共同出现。因为太阳的「较差自转」,使得内部磁场扭曲,当磁力线跃出光球层,太阳表面炽热的气流会被带往高空,就会形成圆弧状的日珥。

这张照片由Efrain Morales Rivera于波多黎各拍摄,使用8公分的望远镜搭配H-alpha滤镜捕捉色球层的细节。

  这张照片由Efrain Morales Rivera于波多黎各拍摄,使用8公分的望远镜搭配H-alpha滤镜捕捉色球层的细节。

  AR2765旁的日珥绵延约70,000公里,几乎是地球周长的两倍,如果它出现在地球旁边,地球可以像马戏团跳火圈一样穿过它。由于现在是太阳活动的极小期,这个尺度的日珥还算非常小型,在极大期的日珥塞进10个地球都不是问题。不过随着磁场不断扭曲,磁力线可能会断裂,原本被磁场束缚的高温电浆瞬间挣脱,就会被抛出太空形成太阳闪焰。

  因为安静的极小期期间,AR2765旁的小型日珥将吸引所有太阳物理学家的眼球,持续对它追踪。(编译/台北天文馆虞景翔)

资料来源:Space Weather

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发布单位:台北市立天文科学教育馆

  过去两天,位于地球附近的太空探测器「静止环境观测卫星(GOES)」侦测到了等级B的太阳闪焰,位置在太阳盘面东北处边缘的后方,目前还没办法看到闪焰的根部。

  「静止环境观测卫星」计划是由美国国家海洋和大气管理局经营的卫星,用作天气预报、强烈风暴跟踪和气象学研究,一直是美国的基本天气监测及预报仪器。这些卫星将地球附近测量到的X射线峰值通量分成不同等级。

  太阳闪焰的X射线峰值通量(波长在0.1至0.8纳米之间),按照每平方米的瓦特数(W/m2)分为不同的等级。

  尽管还看不到抛出太阳闪焰的来源,不过很可能是来自太阳黑子,虽然黑子还在太阳盘面后方无法看到,但磁力线穿出表面进入太阳的大气,拖出高耸的日珥喷发至太空中,使我们得以见到。在24-48小时之后,闪焰的爆发处应该就会转至地球可以看到的视野中,无论底下是什么情形,它在太阳表面的中高纬度的位置,代表它属于最新的第25个太阳周期。

  通常等级B的闪焰并不会获得太大关注,只有在像最近这种太阳活动的极小期才会被注意。有时候甚至可以长达好几个月没有任何闪焰,突然出现的B级闪焰就会成为大新闻。(编译/台北天文馆虞景翔)

资料来源:Space Weather

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发布单位:台北市立天文科学教育馆

  2020年2月3日,美国佛罗里达天文爱好者Martin Wise在太阳南半球发现一个挣扎着要诞生的黑子群,可惜,诞生活动失败了!这场挣扎活动的具体表现就是在太阳表面出现一个约行星大小的磁沫(magnetic froth)。Wise是在他的自家后院天文台捕捉到了这场骚乱。下方照片是Wise使用口径120mm的望远镜,透过钙-K滤镜(Calcium K-line filter,CaK,波长393.4纳米)拍摄的太阳大气影像,清楚呈现太阳磁场网络中的白色磁沫,这就是黑子浮现的地方。如果这场黑子群能成功诞生,它将属第25太阳活动周期这个大家等待已久的新一轮太阳活动周期。之所以能知道它属于第25活动周期,是因为从太阳动力观测卫星(Solar Dynamics Observatory,SDO)测量到的磁沫磁极性是+/-,与第25活动周期的磁场模式相符。

Ca-K滤镜拍摄的太阳磁场影像。Credit: Martin Wise on February 2, 2020 @ Trenton, Florida, USA
Ca-K滤镜拍摄的太阳磁场影像。Credit: Martin Wise on February 2, 2020 @ Trenton, Florida, USA

  根据美国海洋大气局(NOAA)太空气象预报中心(SWPC)于2019年12月初提出的预报:第25活动周期应在2020年4月开始(+/-6个月),极大期将发生在2025年7月(+/-8个月),强度与第24活动周期差不多,属于比较弱的活动程度。此外,如果SWPC预测正确,那么第24活动周期跨越了11.4年,将是有纪录以来第7长的太阳活动周期。(编译/台北天文馆张桂兰)

资料来源:Spaceweather.com

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发布单位:台北市立天文科学教育馆 观赏方式:太阳滤光镜观测 可拍照

  自2019年到目前为止,太阳已经有270多天没有出现黑子了,包括过去连续的40天。自从太空时代开始以来,没有哪一年有这么多空白的太阳。

  然而,太阳南半球出现了一个新的黑子打破了这40天一尘不染的记录。它来自下一个太阳周期。这张来自美国NASA太阳动力学观测站的太阳磁场图像中有一个编号AR2755的点。

来自美国NASA太阳动力学观测站的太阳磁场图像中出现了一个新周期的黑子。
来自美国NASA太阳动力学观测站的太阳磁场图像中出现了一个新周期的黑子。

  怎么知道这是一个新的周期太阳黑子?因为它的磁极告诉了我们。旧太阳周期24的南半球太阳黑子有一个-/+极性。这个太阳黑子正好相反(+/-)。

  根据黑尔定律(Hale’s Law),太阳黑子极性的转变表示从一个太阳周期转换到另一个太阳周期。因此,这个太阳黑子是新太阳周期25的成员。

  目前太阳活动的最小值已经达到了一个世纪以来的最低点。这个太阳黑子,再加上2019年先前的一些类似的太阳黑子,肯定太阳活动的最小值不会永远持续下去。太阳活动周期25显示出开始的迹象。预测下一个太阳周期将在未来几年逐渐增强,并在2025年7月达到最高峰。(台北天文馆吴典谚/编译)

资料来源:SpaceWeather.com

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发布单位:台北市立天文科学教育馆

  太阳才刚度过了一个没有太阳黑子的月份,上一次出现这种情况是在2008年8月,当时太阳正处于一个世纪以来太阳活动极小期的最低点。目前这一段空白的太阳表明,太阳活动极小期又回来了。现在,一个新的太阳极小期正在形成,它的低潮程度也与2008年8月差不多,2019年到目前为止,太阳有73%的时间是空白的,预估这次的极小程度可能比2008年更甚。

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图说:1975年以来,太阳黑子相对数目的纪录

  太阳活动极小期是正常的能量轮替。每过大约11年,这些暗点的数量就会减少到零,这些产生太阳闪焰和日冕物质抛射的暗点,就是太阳黑子,太阳黑子从太阳盘面上消失,意味着太阳在很长一段时间内处于空白状态,自1859年年发现太阳黑子周期以来,这些极小值的出现和消失是有规律的。与此同时,太阳向地球释放的太阳能越来越少,PMOD所提供之每月总太阳辐射照度(TSI)资料如图所示:

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图说:太阳辐照度,与太阳常数类似的值,左栏数据为每平方公尺接收到的瓦特数,目前的太阳常数为1362W/m2

  最有趣的是在这项资料中显示太阳辐射照度下降了2W/m2(类似于太阳常数,但略有不同),因为它的高峰值大约在2003年,而2019年的2月,创造了所有资料的最小值。如果按其原模型做估计,由于地球大气中二氧化碳和其他温室气体的增加,太阳的辐射照度应增加3W/m2,这显示太阳正在帮地球「降温」,或许也只是一种巧合。在太阳活动周期的尾声,太阳的亮度似乎会比平时还要暗,这也是北半球许多地区正在经历严冬的一个可能因素。

资料来源:WUWT

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