朝鮮半島極光觀測(cè)圖。韓國(guó)首爾的古代天文臺(tái)用白點(diǎn)表示。粉紅色和青色的圓圈分別表示在400公里和200公里高度的首爾可見范圍。受訪者供圖

作為太陽(yáng)系中唯一的恒星，太陽(yáng)對(duì)地球和行星產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響。200年來，太陽(yáng)活動(dòng)的周期性變化一直是自然科學(xué)各領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，11年周期早已為人熟知。

然而，在1645年至1715年的70年間，太陽(yáng)黑子活動(dòng)常規(guī)的11年周期性變化被打破。這期間太陽(yáng)黑子數(shù)降為極低水平，難以呈現(xiàn)明顯的周期性變化，太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)入一段異常弱的特殊時(shí)期，稱為蒙德極小期。這期間太陽(yáng)活動(dòng)的周期性變化是理解太陽(yáng)/恒星發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵，也是太陽(yáng)物理學(xué)界一直爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員魏勇團(tuán)隊(duì)與合作者通過對(duì)古赤道極光數(shù)據(jù)庫(kù)的分析研究，證實(shí)了古赤道極光記錄可以表征太陽(yáng)活動(dòng)變化，并發(fā)現(xiàn)蒙德極小期期間太陽(yáng)活動(dòng)變化具有約8年的周期性。這一發(fā)現(xiàn)為太陽(yáng)及其他恒星發(fā)電機(jī)理論提供了新的重要約束條件，有助于更好理解太陽(yáng)及其他恒星超級(jí)極小期的產(chǎn)生機(jī)制和更準(zhǔn)確理解蒙德極小期期間的日地關(guān)系。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)進(jìn)展》。

太陽(yáng)“黑匣子”

1957年，人造衛(wèi)星開啟了空間科學(xué)時(shí)代，讓我們對(duì)當(dāng)前的日地關(guān)系有了深入認(rèn)識(shí)。但是，太陽(yáng)系有著46億年的歷史，如何才能了解更長(zhǎng)時(shí)間尺度的日地關(guān)系？

“與地球46億年的演化時(shí)間相比，目前已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以說微不足道。了解過去，才能預(yù)測(cè)未來，我們只有了解了地球的過去，才能知道地球宜居性還能持續(xù)多久。”魏勇告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，2010年他在德國(guó)馬普太陽(yáng)系研究所做博士后時(shí)就開始思考這一問題。

太陽(yáng)上時(shí)刻發(fā)生著不同類型的活動(dòng)現(xiàn)象，包括太陽(yáng)黑子、噴流、耀斑、日珥和日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象。太陽(yáng)活動(dòng)的變化取決于太陽(yáng)發(fā)電機(jī)過程。太陽(yáng)活動(dòng)的總體水平大約有11年的周期變化，稱之為太陽(yáng)活動(dòng)周期。有時(shí)候太陽(yáng)黑子活動(dòng)常規(guī)的11年周期性變化會(huì)被打破，太陽(yáng)會(huì)進(jìn)入持續(xù)幾十年的活動(dòng)異常弱的時(shí)期，稱之為太陽(yáng)活動(dòng)超級(jí)極小期，最為著名的就是1645年至1715年的蒙德極小期。在此期間，通常用來表征太陽(yáng)活動(dòng)的太陽(yáng)黑子數(shù)降至極低水平。其他替代指標(biāo)，如地球極區(qū)極光、宇宙同位素反演的太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)等也驟降至極低水平。由于這些指標(biāo)的局限性，學(xué)術(shù)界對(duì)蒙德極小期的太陽(yáng)活動(dòng)周期性變化一直存在爭(zhēng)議。

超級(jí)極小期并非太陽(yáng)活動(dòng)獨(dú)有，其他類太陽(yáng)恒星中也發(fā)現(xiàn)了類似超級(jí)極小期的異常時(shí)期。超級(jí)極小期的存在給太陽(yáng)/恒星發(fā)電機(jī)理論帶來挑戰(zhàn)。蒙德極小期期間太陽(yáng)活動(dòng)變化規(guī)律是理解太陽(yáng)/恒星發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵。目前一些發(fā)電機(jī)模型可以在一個(gè)或兩個(gè)太陽(yáng)半球重現(xiàn)類似蒙德極小期的行為，但模擬出的太陽(yáng)活動(dòng)周期性變化不盡相同，這是因?yàn)槿鄙賹?duì)蒙德極小期太陽(yáng)活動(dòng)周期變化的重要觀測(cè)約束。

“蒙德極小期就像一個(gè)‘黑匣子’，我們不了解太陽(yáng)到底發(fā)生了什么。”魏勇說，學(xué)術(shù)界一直在尋求新的獨(dú)立指標(biāo)去揭示蒙德極小期的太陽(yáng)活動(dòng)變化規(guī)律。

魏勇團(tuán)隊(duì)則在古籍中找到了答案，提出了赤道極光可以作為反映太陽(yáng)活動(dòng)水平的新指標(biāo)。

尋找極光

“極光是太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用的產(chǎn)物，能夠反映太陽(yáng)活動(dòng)水平。”魏勇介紹，地球上的極光有兩類，除了人們熟知的極區(qū)極光，還有一類發(fā)生在低緯度地磁負(fù)異常區(qū)的赤道極光。赤道極光與太陽(yáng)活動(dòng)水平有關(guān)，在太陽(yáng)活動(dòng)頻繁時(shí)期發(fā)生頻率更高。

過去，研究團(tuán)隊(duì)分析發(fā)現(xiàn)，16世紀(jì)到19世紀(jì)之間，西太平洋區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)地磁場(chǎng)負(fù)磁異常區(qū)，創(chuàng)造了赤道極光產(chǎn)生的條件，為研究蒙德極小期太陽(yáng)活動(dòng)變化規(guī)律提供了契機(jī)。

古代中國(guó)、朝鮮和日本都在赤道極光的可視范圍內(nèi)，在古籍中留下了大量赤道極光的記載。魏勇提出這些古籍中記錄的赤道極光可以作為反映太陽(yáng)活動(dòng)水平的新指標(biāo)。

魏勇當(dāng)時(shí)的想法得到了導(dǎo)師、空間物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士萬(wàn)衛(wèi)星（1958—2020）的贊同和支持。他們對(duì)朝鮮半島的正史進(jìn)行了系統(tǒng)的整理，共發(fā)掘出公元1012—1811年間的2013條極光記錄，相關(guān)古籍記錄已整理出版專著《古代朝鮮極光年表》（2020）。這一古赤道極光列表為研究蒙德極小期期間的太陽(yáng)活動(dòng)變化規(guī)律提供了獨(dú)特的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2019年春，極光數(shù)據(jù)庫(kù)整理完成。萬(wàn)衛(wèi)星在病榻上親自分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了蒙德極小期內(nèi)太陽(yáng)活動(dòng)變化具有約8年的周期性，而不是11年。這個(gè)結(jié)果讓大家感到震驚和困惑。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)次爭(zhēng)論后，決定從太陽(yáng)物理的角度出發(fā)去研究，主要由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員閆麗梅負(fù)責(zé)。

閆麗梅介紹，古赤道極光變化可以表征太陽(yáng)活動(dòng)變化的觀測(cè)證據(jù)，即進(jìn)入蒙德極小期之前的兩個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期，古赤道極光變化與太陽(yáng)群黑子數(shù)變化一致，群黑子數(shù)的兩個(gè)周期峰值與古赤道極光記錄的兩個(gè)周期峰值基本吻合。這說明古赤道極光變化性可以表征太陽(yáng)活動(dòng)變化，即可以用古赤道極光記錄去研究蒙德極小期期間的太陽(yáng)活動(dòng)變化規(guī)律。

“古赤道極光顯示，1645年進(jìn)入蒙德極小期之后（1645—1678年），太陽(yáng)活動(dòng)就經(jīng)歷了4個(gè)連續(xù)完整的肉眼可分辨的約8年周期。這給出了蒙德極小期期間太陽(yáng)活動(dòng)約8年周期主導(dǎo)的直接觀測(cè)證據(jù)。”閆麗梅說。

置身歷史找到“坐標(biāo)”

該研究提供了蒙德極小期期間表征太陽(yáng)活動(dòng)的一種新的數(shù)據(jù)源，并提供了蒙德極小期太陽(yáng)活動(dòng)8年周期的證據(jù)。

此外，蒙德極小期（1645—1715年）在時(shí)間上與地球小冰期（1300—1850年）最冷的時(shí)期重合，蒙德極小期常被認(rèn)為對(duì)地球小冰期可能具有潛在的顯著貢獻(xiàn)。但太陽(yáng)活動(dòng)蒙德極小期對(duì)地球小冰期的貢獻(xiàn)一直存在爭(zhēng)議。該研究給出的蒙德極小期期間的太陽(yáng)活動(dòng)8年周期變化，有助于更好地理解蒙德極小期期間太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候的潛在影響。

“未來，我們希望將該研究結(jié)果延伸至理解太陽(yáng)活動(dòng)與地球氣候的關(guān)系中。”魏勇說。

過去10年，魏勇一直嘗試把學(xué)科史研究和科學(xué)研究相結(jié)合并推動(dòng)學(xué)科建設(shè)。今年，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所已正式成立科學(xué)技術(shù)史學(xué)科，并開始招收研究生。

“我開設(shè)科學(xué)技術(shù)史課程是希望學(xué)生能夠建立起自己的學(xué)科歷史坐標(biāo)，了解學(xué)科誕生的背景、歷史及發(fā)展過程，這樣才能把握住科學(xué)前沿、國(guó)家需求，真正理解學(xué)科發(fā)展內(nèi)涵和精神實(shí)質(zhì)。”在魏勇看來，從事科學(xué)研究的人更應(yīng)該做一些學(xué)科歷史的研究，“置身學(xué)科發(fā)展之中，始終有坐標(biāo)感”。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1029/2023AV000964

（原標(biāo)題為《我國(guó)科學(xué)家專注“蒙德極小期”研究，發(fā)現(xiàn)這70年太陽(yáng)活動(dòng)周期為8年》）