講到太陽活動(dòng)和空間天氣，我們還必須提到一個(gè)人——黑爾（Hale）。黑爾開創(chuàng)了現(xiàn)代的天體物理學(xué)。1897年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種被稱為塞曼效應(yīng)的物理過程，即原子在磁場當(dāng)中發(fā)射的光譜，由一條變?yōu)榱巳龡l。五年后，塞曼被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。十年后，黑爾基于塞曼效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)黑子的光譜也是一分為三，說明黑子有很強(qiáng)的磁場。在他之前，所有的天文研究與地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)一樣，是通過記錄、觀測現(xiàn)象的方法來進(jìn)行研究。從黑爾開始，人們開始用物理學(xué)的方法來診斷、解讀我們所觀測的天體對(duì)象到底是什么。黑爾首開用物理學(xué)方法研究天體對(duì)象的先河，標(biāo)志著太陽物理學(xué)和天體物理學(xué)的誕生。

現(xiàn)在人們已經(jīng)了解了許多關(guān)于太陽的知識(shí)，也掌握了很多太陽的基本物理參數(shù)。比如，日地距離是1.496×10¹¹米，相當(dāng)于光走8.3分鐘的距離；太陽的半徑約70萬公里，是地球半徑的109倍；太陽的質(zhì)量是地球的33萬倍；逃逸速度是618公里/秒，假如要扔一個(gè)東西到太陽系，速度最小要達(dá)到每秒618公里；太陽的平均密度是水的1.4倍；太陽常數(shù)在地球軌道處（大氣層外）是每平方米1366瓦，太陽常數(shù)一百年內(nèi)變化小于千分之二，地球上的生命之所以能夠存在，與太陽這樣穩(wěn)定的輻射有很大的關(guān)系；太陽亮度是3.85×10²⁶ 瓦；太陽年齡約為46億年，它在主序星帶上已經(jīng)生存了46億年，正處于中年期；太陽的化學(xué)組成是70.68%的氫、27.43%的氦以及1.89%的其它元素?！　?/p>

以前，人類的活動(dòng)一直局限在太陽系內(nèi)，太陽系是人類的家園。20世紀(jì)的70年代，美國宇航局發(fā)射了兩艘空間探測器——旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào),也就是我們所謂的飛船。根據(jù)美國宇航局研究數(shù)據(jù)顯示，“旅行者1號(hào)”已經(jīng)在2012年飛出了太陽系。飛船70年代發(fā)射，直到2012年才走出了太陽系，這是一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的距離。

下面我從六個(gè)方面給大家介紹太陽活動(dòng)和空間天氣。

一、太陽活動(dòng)及其在行星際空間傳播和影響的過程

太陽活動(dòng)是發(fā)生在太陽局部地區(qū)的爆發(fā)式磁能釋放過程，表現(xiàn)為劇烈增長的電磁輻射、高能粒子流和成團(tuán)磁化等離子體拋射，并以暗條（日珥）爆發(fā)、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射為主要形式。與地球上的狂風(fēng)暴雨相類比，人們常以“太陽風(fēng)暴”通俗地描述太陽活動(dòng)及其在行星際空間傳播和影響的過程。

所謂“太陽風(fēng)暴”，是以太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射為代表的太陽爆發(fā)及其在行星際的傳播和相互作用的過程。與地球上的風(fēng)暴不同，“太陽風(fēng)暴”是一種劇烈的電磁風(fēng)暴。大家知道，地球是中性大氣，其能量主要表現(xiàn)為壓力梯度、濕熱潛能；太陽則不同，其主要為電磁對(duì)象，所以太陽風(fēng)暴是一種電磁風(fēng)暴。比如電磁武器，就是通過一種電磁能量的爆發(fā)來干擾對(duì)方的通訊和偵查系統(tǒng)。

空間天氣，是由太陽風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)的地球空間環(huán)境和行星際綜觀變化。在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們生活并不需要高技術(shù)，所以那時(shí)候有沒有太陽風(fēng)暴，影響并沒有這么大?？墒窃诟叨纫蕾嚳臻g技術(shù)的今天，空間災(zāi)害性天氣成為人類面臨的自然災(zāi)害之一。2016年10月，時(shí)任美國總統(tǒng)的奧巴馬簽署了題為《協(xié)調(diào)努力為國家做好空間天氣事件的準(zhǔn)備》的總統(tǒng)行政命令，要求NASA和國防部、國土安全部、商務(wù)部等部門一起，為應(yīng)對(duì)太陽風(fēng)暴所帶來的危害做好準(zhǔn)備，并詳細(xì)規(guī)定了各部門的職能，比如哪些部門負(fù)責(zé)監(jiān)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警，哪些部門負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)等。

太陽黑子是太陽活動(dòng)最基本的形式。上圖是2014年5月美國大型天文臺(tái)1.6米NST（New Solar Telescope：新太陽望遠(yuǎn)鏡），在分辨率最高的情況下看到的黑子。

太陽磁場是太陽活動(dòng)和空間天氣的驅(qū)動(dòng)者。太陽的磁場十分復(fù)雜，其兩極的磁場是開放的。上圖中，粉色的磁場代表一個(gè)極性，深色的磁場代表一個(gè)極性，南北兩極的極性正好相反；中間還有許多封閉的磁環(huán)、磁圈。我在美國加州理工學(xué)院工作時(shí)，有一位巴西的同事就曾說過，太陽磁場和太陽纖維就像他兒子的卷發(fā)，風(fēng)一吹來就亂動(dòng)，簡直不知道怎么描述它。

上圖是太陽表面視向磁場，其中白色的是正極磁場，代表磁力線離開太陽表面；黑色的是負(fù)極磁場，代表磁力線進(jìn)入太陽。太陽上有很多的雙極區(qū)，即從正極出來進(jìn)入負(fù)極；還有許多大范圍的單極區(qū)，即所謂的冕洞。另外，上圖箭頭所指為23太陽周的超級(jí)太陽活動(dòng)區(qū)。

這是以美國斯坦福大學(xué)為主做的一個(gè)空間觀測。近年來，空間觀測進(jìn)一步發(fā)展，如上圖：藍(lán)色是正極，磁力線出來；紅色是負(fù)極，磁力線進(jìn)去，這些短線把磁力線的走向和位置給展示出來了。在正極和負(fù)極磁場相互作用的地方，磁場剪切非常嚴(yán)重，這里既有磁場浮現(xiàn)，又有磁通量消失。

近年來，國際上對(duì)太陽磁場的觀測取得了很大的進(jìn)展，取得了大量資料，比如上圖中在一個(gè)太陽周的時(shí)標(biāo)內(nèi)對(duì)太陽活動(dòng)進(jìn)行的24小時(shí)不間斷觀測。天文學(xué)家一直在辛勤地工作，希望通過監(jiān)測太陽的變化，來預(yù)報(bào)空間天氣的影響。

隨著磁場的激烈活動(dòng)和相互作用，某些地方不停地出現(xiàn)X射線輻射，X射線輻射使局地區(qū)域出現(xiàn)劇烈的電磁輻射，就被稱為太陽耀斑。

太陽耀斑的能量來自磁場，那么，在沒有黑子的地方，太陽是什么樣的？上圖是我和學(xué)生觀測到的完全沒有黑子的地方?？梢钥吹?，太陽表面覆蓋著非常小尺度的無所不在的磁場，這些磁場不停地浮現(xiàn)、消失。圖中用紅色圈起來的地方就是溫度高于太陽平均溫度的地方；藍(lán)色是溫度偏低的地方。所以，太陽磁場的變化會(huì)使太陽表面的溫度產(chǎn)生變化。