汪景琇：太阳活动和空间天气（5）

三、太阳活动的长期变化

太阳活动呈现11年的黑子周期（即通常所说的太阳活动周）和 22年的磁周期（又称黑尔周期，即太阳极区磁场演变的周期）。在每个太阳活动周（即每11年），极区磁场会出现极性反转；每两个太阳周（即22年），极区磁场又恢复到原来的极性。近十几年，太阳活动出现以巨极小和微极大为特征的异常行为。

太阳活动周是极向和环向磁场间的震荡。太阳极向磁场表现为极区磁场，环向磁场表现为以太阳黑子为代表的活动区磁场。上图黑线是极区磁场，即北极的磁场，它从零开始到负极，然后又转为正极，两条蓝线之间是一个完整的周期。南极与北极的极性正好相反，先是正极，然后变为负极，每11年为一个太阳周。所以，极区磁场最小的时候，恰恰是黑子太阳周，也是黑子数最多的时候。

孟德尔极小现象是个很怪的现象，上图是1600年-2000年黑子数的变化。在1655年-1745年这段时间内，太阳上几乎没有黑子；在19世纪30年代，太阳上黑子很少，后人将这段极小期称作孟德尔极小期与道尔顿极小期。我这里列举了两幅油画，一幅是孟德尔极小期间奥地利的画家的图，另一幅是道尔顿极小期间欧洲画家的图。画的是什么地方呢？是泰晤士河。泰晤士河流经伦敦，非常美，但是没有人听说过泰晤士河会结冰。可是在道尔顿极小和孟德尔极小期间的画中，河流是结冰的。

从2005开始，太阳活动变得非常之小：大的活动（红色柱状表述）和超强活动区（绿色柱状表述）都非常小；地磁活动也很小，非常宁静。大家可能会认为，太阳活动危害这么大，宁静不是很好吗？宁静也不行，宁静就意味着太阳磁场很弱；太阳磁场很弱就阻断不了从银河系来的高能粒子。

所以，从上图可以看出，从银河系来的高能粒子在过去十年都超标。另外，这些年由于太阳活动极小，太空垃圾也得不到清理。为什么太阳活动小了，太空垃圾反而堆积、得不到清理？因为在太阳活动剧烈时，地球的中层大气、高密度大气向上抬，抬上去之后就会把垃圾裹挟下来。而如果太阳总是不活动，地球大气的密度变小，也就没有高密度的地球大气将太空垃圾裹挟下来。

在2007年前后，有两位科学家很好地预报了一个异常的极小现象：一位是印度科学院院士Choudhury，另一位是我的学生姜杰。为什么两位学者要做这件事？因为2006年，一位非常有名的美国学者Gilman和他的博士后Dikpata发了一篇文章，说第24太阳周是百年来最强的太阳周。他们的文章发表之后，我正好在日本参加一个学术研讨会议。在与高山天文台的台长（上述两位美国学者的台长）以及一位日本资深太阳物理学家一起吃晚饭的时候，美国台长说，由于Dikpata和Gilman的预报，给美国省了44亿美金。我当时不理解，就请他给我讲讲是怎么回事。美国台长说，空间飞行器和卫星飞船一般都是在前一个太阳周设计。所以，在设计的时候，必须知道其即将飞行时，太阳活动的强弱。如果太阳活动很强，应该多装些燃料，以便于在飞行期间调节其姿态。比如，由于大气的密度增加，阻力增加，所以飞行高度下降，这时候就要想办法让它再飞上去。因为Dikpata和Gilman的预报，美国设计的24太阳周的飞行器，带了很多的燃料。他说，这就使得飞行器不至于因为太阳活动而过早地陨灭。但是恰恰相反，他们的预测不准确，那个时候实际上是百年来最弱的一个太阳周。所以，当时姜杰和Choudhury跟我讨论要做这件事的时候，我非常高兴。虽然我没有做他们的合作者，但是我一直在支持他们做这项研究。科学就是要挑战，Gilman说是百年最强，姜杰和Choudhury说是百年最弱，这就需要把问题找到，找出出现这种差别的原因。最后发觉是由于两组作者对磁扩散的理论处理和物理处理不一样，才导致了这种差异。