伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com）　2007.09

是什么机制使太阳黑子活动具有周期性 ?什么机制使黑子的纬度分布遵从“蝴蝶图”的变化规律?这些巨大而有趣的挑战性科学疑难，极大地激发了人们研究与观测太阳黑子和相关现象的兴趣，极大地激发了他们的研究欲望。针对这些挑战，人们不断提出新的想法和学说，试图在解释这些问题方面前进一步。在众说纷纭中，美国天文学家巴布柯克 1961年提出的较差自转—磁场增强—磁力线束上浮的学说受到了比较普遍的肯定，能够较好地说明黑子的生成、“蝴蝶图”、黑子磁性周期的形成等，下面作些简单介绍。

60年代后期，美国太阳物理学家莱顿对巴布柯克学说作了修改，使其更加完善，因而该学说常被称为巴布柯克—莱顿学说 ，其内容是：

(1)不管是太阳具有原始磁场还是带电物质在太阳内部运动产生磁场，或者什么其他方式产生磁场，对于解释太阳黑子周来说，在太阳黑子周开始之前肯定有一种磁场，这种磁场不应很快被衰减或消失掉，而应有利于形成太阳黑子磁场。这个学说认为，在太阳黑子周开始之前，在太阳的相对浅的层内有南北方向的磁场存在，磁感线沿着太阳经度线的走向把太阳南北极区连接起来。同时，磁感线在太阳的一个极区穿出，经过太阳体外的空间从另外一个极区再穿人太阳，形成一条条无头无尾的圈状结构，如图 5.41(a)所示。

(2)在磁感线存在的这层太阳物质有很高的导电性而且不停地运动着。这种条件下的磁感线不能随意运动，只能跟着物质一起运动，物质也不能横穿磁感线，就好像磁感线与物质彼此“冻结”在一起一样。这时，如果因运动而使磁感线像牛皮筋一样被拉长，磁场强度也就被加强。从实际的观测已知太阳表层有较差自转运动，赤道区转动最快，纬度越高的区域转动越慢。因此，太阳的较差的自转运动不但会携带着磁感线一起运动，而且会把磁感线从南北方向拉向赤道方向，时间越长，磁感线缠绕着太阳的次数越多，磁感线也就拉得越长，相应地区的磁场也就越强，如图 5.41(b)所示。至此，磁感线仍在太阳光球之下，但磁场强度随纬度的增加变得更强。

图5.41 巴布柯克—莱顿的太阳周学说、

(a)原始偶极磁场、 (b)较差自转使磁感线缠绕

(c)浮出成对的黑子 (d)极区场的抵消与反转极性

(3)物理学的研究告诉我们，导电的流体在磁场中会受到一种浮力，磁场强的区域比磁场弱的区域受到的浮力大。太阳的较差自转使高纬区域比低纬区域有更强的磁场，然而与磁场“冻结”在一起的物质还会受其他杂乱运动的影响，使磁感线在某些局部区域更密或更稀，导致了同一纬度的同一束磁感线也不是完全均匀的，而是某些处有更强的磁场，受到更大的浮力。当浮力大于重力时，该处的磁感线就会随同物质上升，穿过光球，浮出光球表面，这时虽然穿出光球的磁感线并未断开，这束磁感线留在光球表面的“双足”却成了我们观测到的黑子。

沿着这束磁感线巡视，它穿出光球的地方的黑子具有 N磁极性，穿入处的黑子磁极性为S，自然形成了偶极黑子群。黑子群从高纬到低纬先后出现的次序，也解释了“蝴蝶图”的形成，以及偶极群中先导黑子的纬度比后随黑子的纬度低和南北半球偶极群黑子极性分布相反的规律，正如图 5.41(c)所示。

(4)太阳黑子周开始时，浮出的磁感线段在高纬而且数量少，随着黑子周的推进浮出的黑子越来越多，达到一个极大期，然后是黑子数的减少。在黑子周的前半周里。高纬度的偶极群的后随部分逐渐向极区扩散，因其与所在半球的极区的磁极性相反，不断与极区磁场中和而使极区磁场减小。 在黑子周达到极大时，极区磁场被全部中和掉，接着开始了极区的极性反转，如图5.41(d)所示。

巴布柯克，莱顿学说确能解释太阳黑子周的一些特征与性质，但没有说明太阳原始磁场从何而来 ?较差自转的能量能否长期维持太阳黑子周的存在、太阳光球下面各层是怎样自转的，为什么有时有长达几十年的时间里很少观测到黑子、太阳南北两半球参加同一个较差自转过程却常在黑子活动方面出现巨大的差异等等，巴布柯克—莱顿学说不能解决上述的疑问。而共旋起电太阳模型，能回答上述问题。

当木星处在远日点时，若水星、金星、地球和火星也处在远日点，此时行星对日幔对流层的潮汐力不大，太阳处在平静期，此时，假设太阳光球处在图 5.42“共旋起电”太阳黑子周演变示意图(a)位置，由于日球的离子层和电子层带有同量又不同性质的电荷，故由它们共旋产生的偶极磁场，在极区的极性虽不明显，但是每太阳周中总有一主导偶极磁场，图中标有“ +”极，表示北极为“N” 极，标有“-”极，表示南极为“ S”极。当太阳自转时，等离子流体正负电荷也一起绕日轴顺时针旋转，运动着的正电荷和负电荷好比通过方向相反的电流，这些电流所产生的磁场对等离子体本身会产生安培力的作用。表现为等离子体同种电荷同向运动的引力而产生的箍缩力。以及异种电荷同向运动产生的推斥力。这二种力的作用下，会使太阳对流层的等离子流体形成等离子流体管，在某种外力如：太阳磁场的洛伦兹力的作用下，离子管会发生左旋或右旋运动。随着太阳自转，在偶极场的作用下，由于离子管柱的箍缩力，及在偶极场中产生如图 (b)的离子管柱，在北半球离子管柱会发生右旋运动，

在南半球离子管柱会发生左旋运动，在太阳赤道平面上产生向外的面电流。它们的离子管柱旋转方向不同，因而南北半球离子管柱形成磁场的极性也不同。离子管柱靠太阳内侧磁场强，外侧磁场弱，由于运动带电粒子在不均匀磁场中总是被推向磁场弱的地方，磁场强的部位的等离子体会被推向磁场弱的区域，靠近凹（内）侧的等离子体会被推向凸（外）侧部位，造成等离子体柱进一步弯曲，这种情况叫做“扭曲不稳定性”。太阳对流层中左旋或右旋的不稳定离子管圆柱，它们在安培力、及上浮时的科里奥利力 (笔者称指向赤道面的共旋梯力)的作用下，南北半球离子管柱会有彼此分离成较差自转运动的趋势，随太阳自转，这些等离子体圆柱和圆柱磁场会有如图 (c)的排列。

由于太阳自转周期比水星、金星、地球、火星和木星的公转周期都要短，太阳自转一周中南北半球某一离子管柱均会与水星、金星、地球、火星和木星相逢一次，在行星潮汐力作用下，出现离子管柱断裂现象。断裂时，顺时针旋转或逆时针旋转的离子管断截面的旋涡形成 S极或N极黑子磁场，被折断的离子管柱磁场磁力线会如牵牛花一样向外扩散，黑子中心本影处磁场最强越往外磁场越弱。由于运动带电粒子在不均匀磁场中总是被推向磁场弱的地方，因此带电粒子会在折断截面处一边旋转一边向外喷发，使断面中心凹陷，并带走大量能量，使本影温度降低成为黑子。

由于水星、金星、地球、火星和木星绕太阳公转的周期水星最短，而水星的轨道倾角最大，离太阳距离又最近，在一个黑子周中，首先是水星的潮汐力起作用，所以太阳黑子周开始时，一般黑子出现在纬度 左右，甚至出现在左右。随着轨道倾角小、离太阳距离较远的行星潮汐力起作用，黑子出现数量不断增多。但黑子纬度平均值逐渐减小。在黑子数达到极大值时，黑子的平均纬度在 值（表示北纬，表示南纬），由于行星轨道的共面性，且黑子是由行星潮汐力所引起，所以黑子都出现在与太阳赤道平行的两条纬度带上。绝大部分黑子出现在南北纬度 之间。在以上和 以下至赤道间黑子是相当少的。这是由于赤道面上不存在离子管柱之故。

从图5.42 (c)也可看出：黑子群均成对出现，且前导与后随黑子极性相反，南北半球前导黑子的极性相反，这些均因太阳自转周期比水星、金星、地球、火星和木星周期要短出现的较差运动而引起。潮汐力越大，离子管柱断裂也越多，黑子也越多，这就是黑子峰年期。

黑子峰期过后，由于较差运动，会使与极区极性不同的黑子向高纬漂移，逐渐与极区原来的极性抵消 (见图5.42 (d))。大约十一年以后，木星又回到远日点就出现图 5.42中(e)的状态，又出现平静期。即极性完全抵消时，出现普遍磁场的反转，也就是使光球电子层产生偶极场起主导作用。在下一周的日幔对流层的离子管在洛伦兹力的作用下，南北半球离子管的旋转方向与上一黑子周的离子管的旋转方向相反，如图 5.42(f)，到近日点时又会出现黑子高峰，黑子峰期过后，由于较差运动，黑子磁场的极性又出现极性反转。又会出现后随黑子向高纬漂移，逐渐与极区的极性抵销而后再出现如图 5.42 (a)的平静期，完成了22年周期的循环。由于黑子和黑子群成对出现，南北半球成对称分布，因而从外形看，好像一列伏在赤道线上的蝴蝶，所以叫做“蝴蝶图”。

由于黑子群“蝴蝶图”是由水星、金星、地球、火星和木星绕太阳公转时的潮汐力所引起。所以行星运行的轨道倾角、离太阳距离的远近均会影响太阳南北两半球黑子数的多寡，因此太阳南北两半球出现巨大的差异均在情理之中。

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