觀測通知：太陽表面出現大黑子群，3/17之前可見

• 本文編譯自《Physicists explain how type of aurora on Mars is formed》

形成極光的要素有三，其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場，可以在兩極地區生成北極光和南極光；然而，火星沒有覆蓋全球的磁場，因此火星上的極光並非出現在兩極，只能在特定區域生成。

近期，愛荷華大學領導的研究團隊，根據美國航空暨太空總署（NASA）火星大氣與揮發物演化任務（MAVEN）探測器的數據，確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成。

極光三要素：大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前，讓我們先把鏡頭轉到地球，談談地球上的極光在哪裡形成，以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區（auroral oval），涵蓋北極與南極地區，但並非以兩極為中心；換句話說，極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外，極光橢圓區的寬度與延伸範圍，會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引，沿著磁力線加速往高緯度地區移動，最後和大氣中的原子碰撞時，就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述，可以得知極光的三個要素是：大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」，若屬於可見光波段，就能用肉眼觀測，並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍，綠色區域則為極光橢圓區。圖／National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前，得先介紹它的幕後推手——行星際磁場（Interplanetary Magnetic Field，IMF）。IMF就是太陽風產生的磁場，在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化，並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢？當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播，會同時拖曳太陽的磁力線一起離開；太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子，讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話，太陽就像是在轉盤上的蛋糕，太陽風粒子就是擠花裝飾；而當蛋糕一邊以固定速度自轉，擠花逐漸向外擴散的同時，就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

對太陽風和 IMF 有基本認識之後，讓我們把鏡頭轉向火星，談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說，火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層，強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態，導致大氣層的散失；該過程稱作濺射（sputtering），發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一，在 IMF 的作用之下，部分的離子會環繞磁力線運動，隨著 IMF 移動而被帶離火星；另外一部份的離子則像撞球一般，撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子，引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明，根據團隊研究的成果，太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離，並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素（質子數相同，但是質量不同的元素）以氬-38 以及氬-36 為主，後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比，Jakosky 的團隊推估火星約有 65％ 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形；其中又以二氧化碳為焦點，畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在，而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

接著，讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢？這要先從行星發電機理論開始說起，該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例，地核內部保留了地球形成初始的熱能，約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵，因為密度下降而上升至地核頂端，接觸到地函時，這些液體會喪失部分熱能而冷卻，因為溫度比周圍環境低，密度變高而下沉；如此不斷的熱對流循環下，讓帶有磁力的流體不斷運動，進而形成電磁感應。另外，科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向，產生螺旋狀的流動效果，有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示，火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚，其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關，在火星形成之初散熱較快，造成火星外核液態鐵短時間內就凝固，無法像地球一樣，保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化，不斷從地核深處上升至地函，再冷卻下降，持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力，導致火星內部的發電機幾乎停止運轉，無法形成全球的磁場。話雖如此，火星仍然具備小區塊的磁場，主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

磁層與大氣層相互依存，火星在太陽風不斷吹襲之下，大氣層愈趨稀薄；火星內部又缺乏發電機的動力，無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護，就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢，因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣，看似缺乏極光形成要素的火星，又是如何形成極光的呢？

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護，但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡，磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用，滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」，與地球上常見的極光不同，有些發生在人眼看不見的波段（比如紫外線），所以也更加提升了觀測難度。

那麼，研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢？那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀（Imaging Ultraviolet Spectrograph，IUVS）！

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家，他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果，比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場（IMF）強度、時鐘角和錐角^{[註 1]} 以及火星上極光的紫外線，發現在磁場較強的地殼區域內，極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向；反之，區域外的極光發生率則與太陽風動壓（Solar Wind Dynamic Pressure）關聯較高，但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到，在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內，當 IMF 的時鐘角呈現負值，如果正逢火星的傍晚時刻，較容易觀測到離散極光；也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯（Magnetic Reconnection）——意即磁場斷開重新連接後，剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量（如動能、熱能等）加以釋放，例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向：移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關，而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料，也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果，主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光；以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想，火星是目前人類圓夢的最佳選擇；但是在執行火星移民計畫之前，火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護，生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果，科學家們將發掘新的突破點；期許在不久的將來，我們能找到火星適居的鑰匙。

• 註1：IMF 的時鐘角（Clock Angle）與錐角（Cone Angle）

如何判定 IMF 的角度呢？因為磁場空間是立體的關係，我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念，來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上，IMF 方向與 Z 軸的夾角；而錐角則是在 X、Y 平面上，IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

參考資料

1. Science Daily. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed.
2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
3. Michelle Starr. Mars Has Auroras Without a Global Magnetic Field, And We Finally Know How. ScienceAlert.
4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫。
7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的？物理學家有新發現，帶你揭秘。
8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平。
9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的？ 科學家解謎。
10. BBC News 中文。北極光：美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理。
11. 明日科學。科學團隊藉由 NASA 的太空船所收集的資料得知火星大氣層的流失可能肇因於強烈的太陽風。
12. 台北天文館。NASA 首次繪製火星周圍電流分布圖，證實火星有磁場。科技新報。
13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集。
14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.

• 本文轉載自臺北天文館，《臺北星空》第 100 期。
• 作者 / 臺北市立天文科學教育館 | 陳姝蓉

在 2020 年底，美國 NOAA 和 NASA 的科學家宣布太陽活動極小期於 2019 年的 12 月結束，目前太陽活動穩定增長且中緯度出現磁極方向相反的黑子，代表第 25 太陽週期的到來。目前對驅動太陽活動的磁場於太陽內部的移動方式，乃至於磁極反轉的機制皆尚未完全了解，使得在建立太陽週期模型和預測太陽活動 上有許多挑戰。因此對第 25 週期太陽活動的強弱，看法也不相同。

太陽黑子週期

科學家把 1755 年訂為太陽活動的第 1 週期，並持續紀錄太陽黑子數目來分析太陽活動的變化。太陽活動如閃焰和日冕物質拋射等，會將能量和物質拋向太空。太陽活動造就了美麗的極光，卻也可能造成衛星軌道降低及儀器損害、電波通訊和電力傳輸的中斷。使得提供未來太空天氣粗略概況的太陽週期預報，顯得格外重要。

太陽黑子是磁場較強的區域，因磁場使內部能量不易傳播，溫度較低看起來較暗。太陽黑子數量和太陽活動相關（皆有約 11 年的週期），大多數閃焰和日冕物質拋射皆來自黑子群。太陽和地球一樣具有磁場，南北磁極約 11 年交換一次，新生黑子的磁場方向也隨著改變。於太陽活動極大期時，黑子數量較多且太陽的磁極開始改變，之後太陽活動下降，直到極小期到來，此時黑子數量較少且彼此間距離較遠，甚至有時完全沒有黑子。

NOAA 和 NASA 的預測

NASA 和 NOAA 每十年都會聚集一群科學家，他們會考慮不同模型， 對下個太陽週期的起始、黑子最多數量和太陽活動極大期的時間進行預測。模型通常採用和太陽活動相關的指標，如會受太陽影響的地球磁場或太陽磁極的磁場等。

科學家發現，在極小值時期，太陽磁極的磁場強度與下個週期太陽活動的強弱有關。假如極小值時期的磁極磁場較弱，接下來太陽週期亦較弱，此理論成功預測第 24 週的太陽活動。在過去的幾個週期中，太陽磁極的磁場逐漸減弱，同時最大的黑子數量也跟著下降。

由於第 24 週期的磁極磁場強度和之前差不多，推測第 25 週期的太陽活動將類似第 24 週期。將在 2025 年 7 月達到最大黑子相對數 115 ，這將是測試此模型的好機會。科學家也預期第 25 週期的太陽活動，將不會如前 4 個週期般持續下降。目前無證據顯示太陽活動有趨向於蒙德極小期（ 1645 ~ 1715 年間僅觀測到 50 顆左右的黑子）的跡象。

NCAR 的預測

美國國家大氣研究中心（NCAR）的科學家持相反意見，預測第 25 個太陽週期將是從 1975 年開始紀錄以來的太陽活動較強的週期之一，太陽極大期時的黑子相對數約在 210 ~ 260 之間。如果預測得到證實，將支持團隊的理論模型，即環繞太陽的磁場帶有 22 年週期，具有不同磁場方向的磁場帶的交互作用，產生 11 年的太陽黑子週期。

科學家發現日冕亮點，即太陽大氣在極紫外光的短暫閃爍，會由高緯度移動到赤道，並在中緯度時和黑子出現吻合。推測亮點標誌著磁場帶的傳播，當南北半球具有相反磁極的磁場帶在赤道相遇時，它們會互相湮滅造成「終結」事件， 結束上個太陽週期並開始下個週期。當南北半球的磁場帶（具相反磁場）往赤道移動時，新的磁場帶將在高緯度出現，這將造成下周期太陽磁場的反轉。

有時磁場帶在中緯度移動變慢，會延長磁場帶交互作用的時間，這將使當前的週期變長並減少下週期的黑子數量。由於需要足夠多不平衡的磁場以形成黑子，交互作用時間短有利黑子生成。回顧長達 270 年的觀測紀錄， 科學家進一步發現終結事件間的時間間隔，會影響太陽週期的強弱，間隔越長下個太陽週期就越弱，反之亦然。例如太陽的第 4 週期的終結事件間隔長達 15 年，使得第 5 週期非常弱，這也是道爾頓極小期的開始。同樣第 23 個太陽週期終結事件間隔 13 年，因此第 24 週期較短也較弱。藉此研究人員認為第 25 週期將是有紀錄以來較強的週期。

劇烈的太陽活動將會損害衛星連帶影響通訊傳播和 GPS 服務， 而其對地球磁場的影響可能使電力傳播和無線電通訊中斷，過多的輻射也將對太空人有害。因此了解太陽活動很重要，預測太陽週期將可幫助我們掌握和評估其潛在影響。

參考資料

1. What Will Solar Cycle 25 Look Like?
2. Solar Cycle 25 Is Here. NASA, NOAA Scientists Explain What That Means
3. New sunspot cycle could be among strongest on record
4. Overlapping Magnetic Activity Cycles and the Sunspot Number: Forecasting Sunspot Cycle 25 Amplitude

太陽目前正處於第 24 活動周期中，這個周期的極大期落在 2014-2015 年，現在正處於黑子數量逐漸減少的下降階段。根據以往歷史記錄，每個太陽活動周期中，下降階段所耗的時間通常比上升階段久且緩；然而，太陽黑子數居然就從 6 月 3 日後開始降為 0，整個日面沒有任何黑子的蹤跡，如下圖美國航太總署（NASA）太陽動力觀測衛星（ Solar Dynamics Observatory，SDO）6 月 4 日拍攝的太陽影像，持續到 6 月 5 日仍不見有黑子出現。

這意味著什麼？太陽活動周期像來回擺動的單擺，黑子數量有多有少，由少至多再回復少的狀態，一個周期平均約為11年。如今的無黑子狀態是趨向低黑子數的象徵，白話點說就是：太陽活動正進入極小期！

不過，這幾日的無黑子狀態還只是暫時的，在可見太陽表面以下之處還是存在許多磁節點，這些磁節點很快會會浮出太陽表面而形成新的黑子。現在的太陽活動周期並未結束，但會很快地衰退。太陽物理學家估計：黑子數抵達谷底的真正極小期很可能會落在 2019~2020 年；而從現在到極小期之間的這段時間，將三不五時地出現無黑子狀態。起初，無黑子狀態只會持續幾天，之後變成持續數週，再然後可能會好幾個月都見不到半顆黑子。

不過，不要以為太空天氣也會就此趨於寧靜。太陽極小期會帶來許多有趣的變化。例如：太陽發射出的極紫外輻射量會減少，地球高層大氣因而會降溫並潰縮。這種狀況有利於太空垃圾聚集在地球周圍。此外，太陽圈（heliosphere，太陽系勢力範圍）也會縮減，使得地球能更接近星際空間，如此一來，銀河宇宙線（galactic cosmic ray，來自銀河系本身的高能粒子）能更容易穿透至太陽系內側。事實上，地球已經處在宇宙線潮（cosmic ray surge）之中了，如下圖，以探空氣球測得的中緯度平流層的宇宙線強度比一年前增加了 12% 左右。

所以，準備對黑子說再見，然後，再對來自深太空的輻射說嗨吧！

（後續更新）

6 月 24 日的太陽，再度面臨無黑子狀態！

從 6 月 24 日至 7 月 2 日，太陽已經超過一周沒有黑子出現了。上一次這麼久沒見到黑子，是在 2010 年 12 月，當時太陽活動處在從極小期谷底剛要逐漸攀升的前夕。而這次這麼多天沒有黑子，顯然也是極小期即將來臨的訊號。

根據 Spaceweather.com 網站的統計，自2009年迄今（2016 年 07 月 03 日）各年無黑子日數分別如下：

2016 年: 13 天 (7%) –6/4~7、6/24~7/3
2015 年: 0 天 (0%)
2014 年: 1 天 (<1%)
2013 年: 0 天 (0%)
2012 年: 0 天 (0%)
2011 年: 2 天 (<1%)
2010 年: 51 天 (14%)
2009 年: 260 天 (71%)

資料來源：What’s up in space-VANISHING SUNSPOTS, spaceweather.com, 2016.06.05, KLC

本文轉載自網路天文館