太阳磁场即将反转，会影响人类吗？

在未来一到两年内，太阳的磁场将发生反转。太阳磁场极性反转通常发生在太阳活动的最高点，而今年5月刚好发生了近20年来最强的太阳风暴。太阳上一次磁场反转发生在2013年，通常这种现象大约每11年发生一次。种种迹象表明太阳磁场在2024年底到2026年初之间会发生反转。是什么原因导致了这种现象？它危险吗？

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太阳黑子周期

太阳磁场的反转与太阳周期息息相关。1859年，瑞士天文学家鲁道夫·沃尔夫（Rudolf Wolf），通过观测太阳黑子数量变化和位置分布规律，发现了太阳活性存在一个11年左右的变化周期性。这个周期后来被称为太阳黑子周期，简称为太阳周期。

太阳对流区的等离子体上升至太阳表面时，由于强磁场的抑制作用导致局部温度降低，黑子是局部磁场增强的体现。复杂的磁性作用于等离子体，产生了太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）等重要的太阳事件。

沃尔夫第一个给出了综合反应太阳相对活性的“沃尔夫数”，这是一个定量公式：R=k(10g+s)。通过统计太阳黑子群组数g与单个黑子数量s，再用校准因子k标准化不同来源的观测数据，他计算出了1755年以来太阳的沃尔夫数R（他手头的可靠天文数据最早只到1755年），这个指标至今仍在太阳物理学中广泛使用。从1755年算起，2019年12月太阳进入第25个太阳周期，今年太阳正步入太阳最大期。

在11年间，黑子数量和活动水平会经历太阳最小期、逐渐增强期、太阳最大期（黑子数量最多，太阳耀斑、日冕物质抛射CMEs和其他太阳现象的频率和强度都达到最高）、逐渐减弱期，进入下一个太阳最小期。注意，太阳周期的长度并不是严格的11年，之前9到13年都有过。此外，每个周期的最大强度也有所不同，比如从21到24周期太阳活动趋势一直在减弱，直到上一个周期（24周期）的黑子峰值为114，远低于平均峰值179。有科学家预测25周期太阳活性会复苏，峰值会比24周期稍强（预测峰值115）。

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太阳的磁场来自哪里？

科学家根据地球磁场的经验曾认为太阳的磁场来自其恒星深处，但根据《自然》2024年5月的一篇研究成果显示，太阳的磁场可能来自太阳浅层不稳定的等离子体（该结果在学术界尚存在争议）。

太阳作为一个巨大的等离子球，其带电离子体旋转时就能产生强大的磁场，这些等离子体位于“对流区”，这部分区域从太阳表面向下约20万千米，占太阳半径的三分之一。他们最初认为磁场受整个对流区的影响，但实际运算的结果显示仅最表层的不到2万千米的对流区对太阳磁场产生影响。

研究人员利用日震数据对太阳等离子体的流动建模。日震是天文学家根据太阳表面涟漪振动推断出太阳内部的震动情况。经过国家级的超级计算机长时间的计算，他们发现太阳表面深度5%到10%的等离子体运动产生的磁场与实际观测到的太阳磁场最接近。假如将更深层的运动放入模型，则计算结果与观测结果就无法匹配了。

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什么导致磁场反转

太阳还有一个重要但鲜为人知的周期——黑尔循环周期，它包含两个11年的太阳周期。在第一个太阳最小期时，太阳南半球或北半球同一个半球中，所有双极黑子的磁场极性分布都相同，表现出太阳的南北极。到了太阳最大期时太阳磁场变得混乱没有明确的磁极。之后太阳磁场反转，太阳南北两个半球的双极黑子的磁场极性发生对换，变成“北南极”。然后在下一个11年中太阳磁场再次经历混乱与反转，变回最初的南北极。

这种逆转是由太阳黑子驱动的，太阳黑子是太阳表面上的颜色较暗的漩涡，它们的面积最大可以装下一个地球，约4500℃比周围低1000到2000℃，寿命从几天到几周不等。太阳黑子很少单独活动，经常成对出现，并随着太阳自东向西自转，习惯上将西边的称为前导黑子，东边的称为后随黑子，黑尔发现它们的磁场极性总是相反的，所以又称为双极黑子。

同时黑子出现的位置也反映了太阳磁场的变化。在太阳最小期，黑子少量出现在赤道附近，它们表示这里发出了磁力线。随着太阳活动的增强，黑子逐渐向太阳的南北纬30°移动，这种黑子是由入射磁力线造成的。随着磁活跃区域向南北两极移动，太阳磁场最终会被逆转。

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转换要多久？

太阳磁场的翻转不是一瞬间完成的，也不像地球磁场转换那样以南北极移动为明确的标志，需要从两极到复杂磁场的逐渐过渡，再到反转两极，这段过程中并没有一个特定的时刻来标志磁场的转换完成。

完全逆转通常需要一两年的时间，但第24个太阳周期的磁场转换花了将近5年，因此这个转换时间也不固定。

太阳磁场的翻转是如此缓慢，多数人不会注意到它何时发生。太阳磁场极性的翻转会带来一些副作用，不过无论听起来多么戏剧化，它都不是灾难的标志。

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磁场反转如何影响我们？

太阳正进入活跃期，向宇宙发射了许多强大的太阳耀斑和日冕物质抛射，这在地球上引发了强烈的地磁风暴，让卫星、宇航员处于风险之中，让星链卫星通信受阻，让我们在更低纬度看到了极光。

马斯克5月份说因20年来最强太阳风暴，星链卫星服务受影响

磁场反转过程中太阳的磁场向外散播的“电流片”（从太阳赤道向外辐射数十亿千米的广阔表面）更密集，为地球提供了更强的屏障，这道屏障能够保护航天器和宇航员免受高能宇宙线（以接近光速传播的高能亚原子粒子）的伤害。

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地球磁场的反转

地球的磁场在历史上发生过多次反转，地磁的北极和南极位置互换，那样的话指南针的指针也会指向相反的方向。

地球的磁场来源于地球的外核。外核在地幔以下，那里的温度非常高，从外侧的4400℃到内核附近的6100℃，高温让地核的铁镍金属成为液体。这个流体铁液是巨大的导体，在地球自转的过程中不断流动形成回路，由于电磁感应就产生了电流和地球磁场。由于外核回路一直在流动，这导致地球磁极也一直在移动（每年漂移十几到几十公里）。

指南针指向的是地磁北极而非地球的北极点，这种偏差被称为磁偏角。因此在实际的测绘和导航中，需要根据时间和地点用最新的地磁数据对指南针进行校准，来消除磁偏角的影响。

根据地质考古我们知道地球的磁场在过去7500万年中至少反转170次。地球的磁场反转过程远比太阳磁场反转漫长得多，一般需要几千到一万年才能完成转换。期间地磁会经历减弱、混乱、消失、重建等步骤，然后维持3万到150万年不等的稳定期后，进入下次反转。

由于地磁改变会对全球岩石磁性同时产生影响，科学家将地层磁性反转的痕迹和放射性元素衰变做比对，制作了450万年以来的地磁极性转向年表。考古学家用地层岩石的磁性痕迹比对年表，就能把这个地层的年代精确到千年级别。

虽然地球磁场保护我们免受太阳风、高能宇宙线的伤害，但它反转时对生物圈的影响并不大。目前没有发现任何生物大灭绝事件与地球磁场反向相关。这可能是因为大气和水都没有磁性，因此地磁反转不会对气候和生物圈产生太大影响，只有少数依靠地磁导航的生物可能会受到影响。

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编辑｜张毅

审核｜吴新

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