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2018-03-01什麼是太陽「蛇行圖」？太陽磁場生成及演變
579 期
Author 作者
黃冠翰／中央大學太空科學研究所博士生。林佳賢／中央大學太空科學研究所副教授。李羅權／中央研究院地球科學研究所客座講座，也是國際著名的太空物理學家。
地球磁場目前是由南極指向北極，然而根據海洋地殼等古地磁學的證據推測，地球磁場的方向並非固定，約 50萬年地球磁場即會反轉一次（圖一），太陽磁場也如同地球磁場會周期性地改變磁極方向，有別於地球磁極的改變周期，太陽磁極約每11年即會反轉一次。歷史上已有很多太陽磁極反轉的觀測紀錄，然由於目前觀測及計算的技術尚未能直接探測太陽內部的磁場，太陽磁場的成因及變化仍是未知，成為許多科學家一直以來的研究目標。
地球的大氣溫度僅有300 K，受地球的重力束縛在地表附近，越高越稀薄。太陽大氣與地球大氣不同，它向外持續噴射，而非靜止的。太陽溫度由太陽核心往外遞減，到達太陽表面的光球層，其溫度約6000 K，再向外溫度開始升高，到了色球層升高至104 K，色球層之上就是稀薄的日冕（corona），溫度約為300 萬度（3×106 K），由於密度很低，日冕平時在地球表面以肉眼觀測是看不到的，因此在望遠鏡發明之前，只有日全蝕才會看到日冕，這一圈如同皇冠上冠冕形狀的物質，便將之稱為corona，而這圈冠冕狀物質中有些區域很暗，像冠冕破了一個洞，於是將這些區域稱為日冕洞。日冕洞的黑暗主要源於其中的磁場線會延伸到無窮遠處，因此大量電漿便順著磁場線脫離太陽，這些流出的電漿是所謂的太陽風。
日前的研究顯示日冕洞是高速太陽風的重要來源，例如在太陽寧靜期的時候，由太陽赤道面附近日冕洞吹出的太陽風速度較低，約為400 公里∕秒；在高緯區的日冕洞吹 出的速度約可達800公里∕秒。當高速太陽風打到地球，可能會對地球磁層、人造衛星和太空船造成影響，因此如果能了解日冕洞如何隨時間改變位置及面積，將會對太空天氣預報有很大的幫助。除此之外，日冕洞隨時間的變化也可以告訴我們太陽的大尺度磁場如何隨時間改變。
從蝴蝶圖到蛇形圖
太陽的磁場線可以分為封閉磁場線以及開放磁場線。所謂的封閉磁場線是指磁場線的兩端都在太陽表面上；開放磁場線則是指磁場線的其中一端在太陽表面上，另一端則接至遙遠的行星際空間中。事實上因為沒有磁單極，磁場線必定會連接回太陽表面，但因為磁場線延伸得非常遠，所 以天文學家定義距離太陽中心，延伸超過2.5個太陽半徑 （太陽半徑約為70 萬公里）就是開放磁場線。2.5 個太陽半徑是流體動能與磁能的分野，在此距離之內磁能大於流體動能，因此流體被磁場所牽制；在此距離之外流體動能大於磁能，因此磁場被太陽風帶著跑。
我們使用史丹佛大學的Wilcox太陽天文台所觀測的磁場資料，根據PFSS計算磁場模式得出磁場的三維結構； 而經由計算磁場線的形式，可以計算出40 年之間，開放磁場區在每個太陽自轉週期（約27.3天）的分布情形。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第579期】