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这70年太阳活动周期为8年

韩扬眉/中国科学报

2023-10-16 08:08

朝鲜半岛极光观测图。韩国首尔的古代天文台用白点表示。粉红色和青色的圆圈分别表示在400公里和200公里高度的首尔可见范围。受访者供图

作为太阳系中唯一的恒星，太阳对地球和行星产生了广泛而深刻的影响。200年来，太阳活动的周期性变化一直是自然科学各领域关注的焦点，11年周期早已为人熟知。

然而，在1645年至1715年的70年间，太阳黑子活动常规的11年周期性变化被打破。这期间太阳黑子数降为极低水平，难以呈现明显的周期性变化，太阳活动进入一段异常弱的特殊时期，称为蒙德极小期。这期间太阳活动的周期性变化是理解太阳/恒星发电机的关键，也是太阳物理学界一直争论的焦点。

近日，中国科学院地质与地球物理研究所研究员魏勇团队与合作者通过对古赤道极光数据库的分析研究，证实了古赤道极光记录可以表征太阳活动变化，并发现蒙德极小期期间太阳活动变化具有约8年的周期性。这一发现为太阳及其他恒星发电机理论提供了新的重要约束条件，有助于更好理解太阳及其他恒星超级极小期的产生机制和更准确理解蒙德极小期期间的日地关系。相关研究成果日前发表于《美国地球物理学会进展》。

太阳“黑匣子”

1957年，人造卫星开启了空间科学时代，让我们对当前的日地关系有了深入认识。但是，太阳系有着46亿年的历史，如何才能了解更长时间尺度的日地关系？

“与地球46亿年的演化时间相比，目前已有的观测数据可以说微不足道。了解过去，才能预测未来，我们只有了解了地球的过去，才能知道地球宜居性还能持续多久。”魏勇告诉《中国科学报》，2010年他在德国马普太阳系研究所做博士后时就开始思考这一问题。

太阳上时刻发生着不同类型的活动现象，包括太阳黑子、喷流、耀斑、日珥和日冕物质抛射等现象。太阳活动的变化取决于太阳发电机过程。太阳活动的总体水平大约有11年的周期变化，称之为太阳活动周期。有时候太阳黑子活动常规的11年周期性变化会被打破，太阳会进入持续几十年的活动异常弱的时期，称之为太阳活动超级极小期，最为著名的就是1645年至1715年的蒙德极小期。在此期间，通常用来表征太阳活动的太阳黑子数降至极低水平。其他替代指标，如地球极区极光、宇宙同位素反演的太阳活动指数等也骤降至极低水平。由于这些指标的局限性，学术界对蒙德极小期的太阳活动周期性变化一直存在争议。

超级极小期并非太阳活动独有，其他类太阳恒星中也发现了类似超级极小期的异常时期。超级极小期的存在给太阳/恒星发电机理论带来挑战。蒙德极小期期间太阳活动变化规律是理解太阳/恒星发电机的关键。目前一些发电机模型可以在一个或两个太阳半球重现类似蒙德极小期的行为，但模拟出的太阳活动周期性变化不尽相同，这是因为缺少对蒙德极小期太阳活动周期变化的重要观测约束。

“蒙德极小期就像一个‘黑匣子’，我们不了解太阳到底发生了什么。”魏勇说，学术界一直在寻求新的独立指标去揭示蒙德极小期的太阳活动变化规律。

魏勇团队则在古籍中找到了答案，提出了赤道极光可以作为反映太阳活动水平的新指标。

寻找极光

“极光是太阳风与地球磁场相互作用的产物，能够反映太阳活动水平。”魏勇介绍，地球上的极光有两类，除了人们熟知的极区极光，还有一类发生在低纬度地磁负异常区的赤道极光。赤道极光与太阳活动水平有关，在太阳活动频繁时期发生频率更高。

过去，研究团队分析发现，16世纪到19世纪之间，西太平洋区域出现了一个地磁场负磁异常区，创造了赤道极光产生的条件，为研究蒙德极小期太阳活动变化规律提供了契机。

古代中国、朝鲜和日本都在赤道极光的可视范围内，在古籍中留下了大量赤道极光的记载。魏勇提出这些古籍中记录的赤道极光可以作为反映太阳活动水平的新指标。

魏勇当时的想法得到了导师、空间物理学家、中国科学院院士万卫星（1958—2020）的赞同和支持。他们对朝鲜半岛的正史进行了系统的整理，共发掘出公元1012—1811年间的2013条极光记录，相关古籍记录已整理出版专著《古代朝鲜极光年表》（2020）。这一古赤道极光列表为研究蒙德极小期期间的太阳活动变化规律提供了独特的数据库。

2019年春，极光数据库整理完成。万卫星在病榻上亲自分析数据，发现了蒙德极小期内太阳活动变化具有约8年的周期性，而不是11年。这个结果让大家感到震惊和困惑。研究团队经过数次争论后，决定从太阳物理的角度出发去研究，主要由中国科学院地质与地球物理研究所副研究员闫丽梅负责。

闫丽梅介绍，古赤道极光变化可以表征太阳活动变化的观测证据，即进入蒙德极小期之前的两个太阳活动周期，古赤道极光变化与太阳群黑子数变化一致，群黑子数的两个周期峰值与古赤道极光记录的两个周期峰值基本吻合。这说明古赤道极光变化性可以表征太阳活动变化，即可以用古赤道极光记录去研究蒙德极小期期间的太阳活动变化规律。

“古赤道极光显示，1645年进入蒙德极小期之后（1645—1678年），太阳活动就经历了4个连续完整的肉眼可分辨的约8年周期。这给出了蒙德极小期期间太阳活动约8年周期主导的直接观测证据。”闫丽梅说。

置身历史找到“坐标”

该研究提供了蒙德极小期期间表征太阳活动的一种新的数据源，并提供了蒙德极小期太阳活动8年周期的证据。

此外，蒙德极小期（1645—1715年）在时间上与地球小冰期（1300—1850年）最冷的时期重合，蒙德极小期常被认为对地球小冰期可能具有潜在的显著贡献。但太阳活动蒙德极小期对地球小冰期的贡献一直存在争议。该研究给出的蒙德极小期期间的太阳活动8年周期变化，有助于更好地理解蒙德极小期期间太阳活动对地球气候的潜在影响。

“未来，我们希望将该研究结果延伸至理解太阳活动与地球气候的关系中。”魏勇说。

过去10年，魏勇一直尝试把学科史研究和科学研究相结合并推动学科建设。今年，中国科学院地质与地球物理研究所已正式成立科学技术史学科，并开始招收研究生。

“我开设科学技术史课程是希望学生能够建立起自己的学科历史坐标，了解学科诞生的背景、历史及发展过程，这样才能把握住科学前沿、国家需求，真正理解学科发展内涵和精神实质。”在魏勇看来，从事科学研究的人更应该做一些学科历史的研究，“置身学科发展之中，始终有坐标感”。