太阳周期1843

太阳的磁场在每个太阳周期中都会翻转，翻转发生在太阳周期接近极大期时。 经过两个太阳周期后，太阳的磁场会回复到原先的状态，完成所谓的海耳周期。

这个周期数百年来一直透过太阳外观的变化，以及地球现象，如极光的观察，但直到1843年才被明确识别。太阳活动由太阳周期与瞬态非周期过程驱动，透过创造太空天气、影响太空与地面技术，以及地球大气层，甚至可能影响数百年甚至更长时间的气候波动，来支配行星际空间的环境。

理解与预测太阳周期仍是天体物理学中的重大挑战之一，对太空科学及宇宙其它地区的磁流体力学现象有重大影响。

由于近期太阳变化的量度远小于温室气体造成的影响，目前的关于气候变化的科学共识认为太阳变化在推动全球气候变迁中仅扮演边缘角色。

定义

太阳周期的平均持续时间约为11年。 太阳极大和太阳极小指的是太阳黑子数量最多与最少的时期。周期从一个最小值跨越到另一个最小值。

观测历史

周期性太阳周期的概念最早由克里斯蒂安·霍雷博（Christian Horrebow）提出，基于他于1761年至1776年间在丹麦哥本哈根的伦德塔恩天文台定期观测太阳黑子。1775年，霍雷博指出“似乎经过一定年限后，太阳的外观会随着黑点的数量和大小而重复出现”。

1843年，太阳周期被明确界定，当时塞缪尔·海因里希·史瓦贝注意到17年太阳观测后，太阳黑子数的周期性变化。史瓦贝持续观察太阳黑子长达23年，直到1867年。1852年，鲁道夫·沃夫根据史瓦贝及其它观察，将第一个太阳周期定为1755年2月开始。沃夫还创建了标准的太阳黑子数相对数——沃夫数，该相对数至今仍在使用。

1645年至1715年间，观测和记录的太阳黑子非常少。此区间最早由古斯塔夫·史波勒发现，后来以夫妻团队安妮·罗素·蒙德与爱德华·沃尔特·蒙德为单位，他们深入研究了这一特殊区间，并被命名为蒙德极小期。

十九世纪下半叶，理查·卡灵顿与史波勒分别记录了太阳黑子在周期不同阶段出现在不同纬度的现象（参见史波勒定律）。阿尔弗雷德·哈里逊·乔伊后来描述了太阳黑子“倾斜”的大小——先导点比后随方更接近赤道——随着这些区域纬度的增加而增加（参见乔伊定律）。

这一周期的物理基础由乔治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale）及其合作者阐明，他们于1908年证明太阳黑子被强烈磁化，这是首次侦测到地球外的磁场。 1919年，他们辨识出若干模式，这些模式后来统称为海耳定律：

在同一太阳半球中，双极区域通常具有相同的前导极性。

在相反的半球（即太阳赤道的另一侧），这些区域往往具有相反的前导极性。

周期历史

过去11,400年的太阳黑子数量及年份已利用碳-14与铍-10同位素比值重建。自1940年代开始的太阳活动水准极为罕见——最后一次类似规模的时期约发生在9,000年前左右（在温暖的北部周期）。

太阳在过去11,400年中仅有约10%的时间处于类似的高磁活动水平好几年。 几乎所有早期的高活动期都比现在这个时期短。化石纪录显示，太阳周期至少在过去7亿年一直保持稳定。例如，在早二叠世估计为10.62年，同理，在新元古代。

直到2009年，人们一直认为1699年至2008年间，涵盖309年间有28个太阳周期，平均长度为11.04年；但后来的研究显示，其中最长的周期（1784-1799年）实际上可能是两个周期。如果是这样，周期的平均长度大约只有10.7年。自观测周期开始以来，观测到的曾有短至9年及最长可达14年的，若1784–1799年周期为双倍，则两个组成周期中必须有一个长度小于8年，振幅也会有显著变化。

存在数份提出的历史太阳活动“大极小期”清单。

近期周期

第25周期

第25太阳周期开始于2019年12月。 关于第25太阳周期，已有多项预测，根据不同方法，从非常弱到强不等。一项基于物理的预测，依赖数据驱动的太阳发电机与太阳表面通量传输模型，似乎正确预测了太阳极地场在当前极小值的强度，并预测第25太阳周期虽弱但不显著，与第24太阳周期相似或略强。值得注意的是，他们排除了太阳在未来十年内陷入类似蒙德极小期（非活跃）状态的可能性。2019年初，第25太阳周期预测小组初步达成共识。

现象

由于太阳周期反映磁活动，各种由磁场驱动的太阳现象会遵循太阳周期，包括太阳黑子、光斑/谱斑、网络及日冕巨量喷发。

太阳黑子

太阳的视表面——光球层，在太阳黑子数量增加时辐射更活跃。卫星监测太阳光度显示太阳周期与光度之间存在直接关系，峰值对峰值振幅约为0.1%。当大量太阳黑子在地球视野中旋转时，光度在10天的时间尺度内会下降多达0.3%，并因与大型太阳黑子群相关的太阳光斑（光斑），而在长达6个月内增加最多0.05%。

目前最好的信息来自SOHO（欧洲空间局与NASA合作的专案），例如MDI磁力图，在此可见太阳“表面”的磁场。

每个周期开始时，太阳黑子会出现在中纬度，然后逐渐靠近赤道，直到达到太阳极小期。这种模式能以所谓的“蝴蝶图”形式来很好的呈现。太阳影像被划分为纬度条状，并计算太阳黑子的每月平均分数表面。此图会以颜色编码的条状垂直绘制，并逐月重复此过程以产生此时间序列图。

虽然磁场变化集中在太阳黑子处，但整个太阳都会经历类似的变化，只是其它地区强度较小。

光斑和谱斑

光斑是光球层上明亮的磁性特征。它们延伸至色球层，称为“谱斑”。谱斑区域的演变通常透过Ca II K线的太阳观测追踪（393.37nm）。光斑和谱斑面积的数量随太阳周期相位变化，且它们比太阳黑子多约一个数量级。 它们与太阳黑子呈现非线性关系。谱斑区域也与太阳表面强烈的磁场有关。

太阳闪焰和日冕巨量喷发

太阳磁场建构了日冕，赋予其在日全食时可见的特征形状。复杂的日冕磁场结构会随着太阳表面流体运动以及太阳内部太阳发电机作用产生的磁通量而演化。原因尚不明，有时这些结构会失去稳定性，导致太阳闪焰和日冕巨量喷发（CME）。

模式

除了约11年一次的太阳黑子周期外，还有许多额外的模式和周期被假设存在。

瓦尔德迈尔效应

“瓦尔德迈尔效应”描述了太阳周期最大振幅与太阳极小期与极大期之间的时间成反比的观察。因此，最大振幅较大的周期通常比振幅较小的周期更快达到最大值。此效应以最早描述此现象的麦克斯·瓦尔德迈尔命名。

格内维舍夫-奥尔规则

格内维舍夫-奥尔规则在其原始表述中指出，对于11年周期中太阳活动的总括指数，偶数周期及后续奇数周期对存在密切关联，而相反的对则不存在此类关联。

格莱斯伯格周期

格莱斯伯格周期描述了太阳周期的振幅调变，周期约为70至100年，或七至八个太阳周期。它是以发现者知名沃尔夫冈·格莱斯伯格命名。

正如伊利亚·G·乌索斯金（Ilya G. Usoskin）和萨米·索兰基（Sami Solanki）开创的，利用储存在陆地储层如冰盖和树轮中的碳-14和铍-10宇宙成因同位素，侦测到与太阳日冕和日球层相关的百年磁场变化，并利用历史上的地磁风暴活动观测，衔接了可用宇宙成因同位素资料结束，与现代卫星资料开始之间的时间空白。

这些变化已透过利用磁通连续方程和观测到的太阳黑子数模型成功重现，以量化磁通量从太阳大气层顶端涌入日球层的现象，显示太阳黑子观测、地磁活动与宇宙生成同位素提供了对太阳活动变化的趋同理解。

苏斯周期

“苏斯周期”或称“德弗里斯周期”，是一种存在于放射性碳代理物中太阳活动周期的周期，周期约为210年。

它的名字以汉斯·爱德华·苏斯（Hans Eduard Suess）和赫塞尔·德弗里斯（Hessel de Vries）命名。尽管计算出的放射性同位素产生速率与400年太阳黑子纪录高度相关，但仅在400年太阳黑子纪录中，几乎没有苏斯周期的证据。

影响

太阳

表面磁性

太阳黑子最终会衰变，释放光球层中的磁通量。这些通量被湍流对流和太阳大规模流动所分散和搅动。这些运输机制导致磁化衰变产物在高太阳纬度累积，最终反转极地磁场的极性（注意上方Hathaway/NASA/MSFC图表中蓝黄相间的反转。）

太阳磁场的双极成分在太阳极大期左右极性反转，并在太阳极小期达到峰值强度。

太空

太空船

CME（日冕巨量喷发）产生高能质子的辐射通量，有时称为太阳宇宙射线。这些会对电子设备和卫星中的太阳能电池造成辐射损害。太阳质子事件也可能在电子设备上引起单事件扰乱（SEU）事件；同时，太阳极大期期间银河宇宙辐射通量减少，粒子通量的高能成分也会降低。

CME辐射对太空任务中处于地球磁场屏蔽之外的太空人来说是危险的。 未来任务设计（例如，载人火星任务），因此，火星任务中包含了一个辐射防护的“风暴避难所”，让太空人在此类事件中可以得到保护。

Gleißberg开发了一种依赖连续周期的CME预测方法。

太阳极大期期间辐射增加，扩大地球大气层包络，使低轨道的太空碎片能更快重返大气层。

银河宇宙射线通量

太阳喷发物向行星际空间外扩散，产生的高密度等离子体（等离子体），能有效散射来自银河系其它地方进入太阳系 的高能宇宙射线。太阳爆发事件的频率会因周期而调节，进而改变太阳系外层宇宙射线散射的程度。因此，太阳系内的宇宙射线通量与整体太阳活动水平呈反相关。这种反相关性在地球表面的宇宙射线通量测量中被明确侦测到。

太阳发电机

11年太阳周期被认为是22年巴布科–雷顿太阳发电机周期的一半，这对应于太阳磁场之间由太阳等离子体流动传导的能量振荡交换，而等离子体流也在每个阶段为发电机系统提供能量。在太阳周期极大期时，外部极向偶极磁场接近其发电周期最小强度，但内部则有一个透过差旋层内的差异自转，产生的环向四极场，接近其最大强度。在发电机周期的这个阶段，对流层内的浮力上升流迫使环向磁场穿过光球层出现，形成一对大致东西向排列、磁极相反的太阳黑子。太阳黑子对的磁极性在每一个太阳周期交替，这一现象由海耳定律描述。

在太阳周期的衰减阶段，能量从内部环向磁场转移到外部极向磁场，太阳黑子数量减少。在太阳极小期，环向磁场强度相对最低，黑子相对罕见，极向磁场强度最高。在下一个周期中，差异自转将磁能从极向磁场转换回环向磁场，极性与前一个周期相反。这个过程持续进行，在理想化且简化的情境中，每11年一次太阳黑子周期对应于太阳大尺度磁场极性的改变。

太阳发电机模型显示，太阳内部的等离子体流传输过程，如差异自转、子午环环流及湍流泵送，在太阳磁场环向与极向分量的循环中扮演重要角色。这些磁通传输过程的相对强度也决定了太阳周期的“记忆”，这在基于物理的太阳周期预测中扮演重要角色。特别是，随机强制的非线性太阳发电机模拟证明太阳周期记忆较短，仅持续一个周期，因此只能对下一个太阳周期进行准确预测，而无法更久。太阳发电机机构中短周期记忆的假设后来被观测证实。

行星的影响推测

2012年的一篇论文提出，行星在太阳深处非球形差旋层上施加的扭矩，可能使太阳发电机同步。结果被证明是错误应用平滑法导致的伪影，造成叠频。此后，还提出了结合行星力对太阳影响的其它模型。然而，太阳变异本质上是随机且无法预测超过一个太阳周期，这与行星对太阳发电机决定性影响的观点相矛盾。现代发电机模型能在不受行星影响的情况下重现太阳周期。

1974年，《木星效应》一书提出，行星排列会改变太阳的太阳风，进而影响地球天气，最终于1982年3月10日引发多起灾难。这些灾难都没有发生。2023年，Cionco等人的一篇论文证明，金星和木星驱动的太阳潮汐效应，对整个太阳潮汐产生显著影响的可能性不大。