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几年前,太阳进入了平静期,其活动逐渐减弱,就像一个吵闹的孩子安静下来准备小睡一样。这种平静并不令人意外;它是太阳大约11年活动周期的正常组成部分,在此期间,被称为太阳黑子的磁化区域的数量会经历盛衰。但是太阳并没有像预期的那样从沉睡中醒来。平静持续了下去,变成了大约100年来最深的太阳活动极小期,之后太阳黑子终于在2008年底左右开始增加。
太阳黑子周期绝非仅仅是科学上的好奇。在太阳活动周期的最大值,即活动高峰期,来自太阳的爆发可能会对地球造成问题,损坏卫星和电网。太阳周期还控制着到达地球的能量,这会影响气候。更好地了解太阳周期的驱动因素,以及更好地预测太阳周期的工具,将对卫星运营商、气候科学家和电力公司等大有裨益。
人们已经提出了许多想法来解释最近太阳活动极小期的延长,现在3月3日出版的《自然》杂志上的一项研究增加了一种新的解释。在对太阳内部等离子体的循环进行建模后,该研究的作者得出结论,等离子体流速的变化可能是原因。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)但是,一位研究这些流动的著名太阳科学家表示,该模型与观测数据不符。
太阳的子午流是一种环流的等离子体(热的、电离的气体)流,从赤道流向两极,然后在更深处流回赤道,在一个太阳周期内以及周期之间会加速和减速。通过计算机模型模拟太阳的子午流,这项新研究的作者确定了一种特定的流动变化模式,这种模式会引起深度的太阳黑子沉寂:在太阳周期开始时流动速度快,然后在周期结束时流动速度减慢。
印度科学教育与研究所(位于加尔各答)的太阳物理学家迪本杜·南迪说:“子午流的变化会影响太阳内部磁场的形成方式。”他与哈佛-史密森天体物理中心的安德烈斯·穆尼奥斯-哈拉米洛以及蒙大拿州立大学(位于波兹曼)的彼得勒斯·马滕斯共同撰写了一篇关于该研究结果的论文。子午流会携带磁通量,根据这项新研究,周期前半段的快速子午流会阻碍大规模磁场的发展。南迪说,由于发展时间较少,磁场“在下一个周期开始之前就耗尽了能量”。
反过来,子午流后期的减速会延迟下一个周期的开始,导致太阳黑子周期之间存在较长的间隔,这意味着完全没有太阳黑子的天数会很多。这正是最近的太阳活动极小期期间观察到的情况,该极小期分隔了第23和第24太阳周期。(尽管伽利略·伽利莱和他的同代人从17世纪初开始监测太阳黑子,但太阳黑子周期的编号仅可追溯到18世纪中叶。)
研究人员发现,在2008年极小期期间在太阳两极测量的微弱磁场可以用相同的等离子体流漂移来解释。南迪解释说:“当你在周期早期有快速流动时,它会将正极性和负极性的太阳黑子扫到极地地区。”“它们相互抵消,下一个输入的通量就更少了。”
因此,研究人员的模型一举解释了最近太阳活动极小期期间观察到的两种太阳现象:大量无太阳黑子的日子和微弱的极地磁场。只有一个问题,而且是一个大问题,美国宇航局马歇尔太空飞行中心(位于阿拉巴马州亨茨维尔)的太阳物理学家大卫·哈撒韦说。“我同意所有三位作者的观点,即子午流的变化是理解太阳黑子周期变化的关键,”哈撒韦说。“问题是,他们想要的子午流变化与我们观察到的情况相反。”
哈撒韦和孟菲斯大学的丽莎·莱特迈尔一年前在《科学》杂志上发表了一篇论文,表明当太阳黑子周期走向其延长的极小期时,子午流的变化正在加速而不是减速。“我们这里肯定存在争议,”哈撒韦说,“而且随着时间的推移,争议只会变得更加有趣。”南迪指出,这些数据涉及太阳表面的浅层特征,而绝大多数等离子体都位于更深处,那里的流动行为可能有所不同。
哈撒韦说,他的《科学》研究和后续跟进所依据的测量是最准确的,应该对南迪及其同事开发的模型产生影响。“他们试图通过说这无关紧要,它只涉及表面层来边缘化这些观测结果,”他说。“我们测量的是磁性元素的运动,这正是他们在模型中使用的通量传输。”
美国宇航局的太阳动力学观测台于2010年发射升空,应该能够更深入地观察太阳翻腾的等离子体,以帮助解决这个问题。南迪承认:“这是一个仍在争论的点。”“我会说,这需要通过更多的观察来解决。”