在未來一到兩年內，太陽的磁場將發生反轉。太陽磁場極性反轉通常發生在太陽活動的最高點，而今年5月剛好發生了近20年來最強的太陽風暴。太陽上一次磁場反轉發生在2013年，通常這種現象大約每11年發生一次。種種跡象表明太陽磁場在2024年底到2026年初之間會發生反轉。是什麽原因導致了這種現象？它危險嗎？
01
太陽黑子周期
太陽磁場的反轉與太陽周期息息相關。1859年，瑞士天文學家魯道夫·沃爾夫（Rudolf Wolf），透過觀測太陽黑子數量變化和位置分布規律，發現了太陽活性存在一個11年左右的變化周期性。這個周期後來被稱為太陽黑子周期，簡稱為太陽周期。
太陽對流區的電漿上升至太陽表面時，由於強磁場的抑制作用導致局部溫度降低，黑子是局部磁場增強的體現。復雜的磁性作用於電漿，產生了太陽耀斑和日冕物質拋射（CME）等重要的太陽事件。
2019年12月太陽最小期（左）與2014年4月太陽最大期（右）時黑子差異
沃爾夫第一個給出了綜合反應太陽相對活性的「沃爾夫數」，這是一個定量公式：R=k(10g+s)。透過統計太陽黑子群組數g與單個黑子數量s，再用校準因子k標準化不同來源的觀測數據，他計算出了1755年以來太陽的沃爾夫數R（他手頭的可靠天文數據最早只到1755年），這個指標至今仍在太陽物理學中廣泛使用。從1755年算起，2019年12月太陽進入第25個太陽周期，今年太陽正步入太陽最大期。
在11年間，黑子數量和活動水平會經歷太陽最小期、逐漸增強期、太陽最大期（黑子數量最多，太陽耀斑、日冕物質拋射CMEs和其他太陽現象的頻率和強度都達到最高）、逐漸減弱期，進入下一個太陽最小期。註意，太陽周期的長度並不是嚴格的11年，之前9到13年都有過。此外，每個周期的最大強度也有所不同，比如從21到24周期太陽活動趨勢一直在減弱，直到上一個周期（24周期）的黑子峰值為114，遠低於平均峰值179。有科學家預測25周期太陽活性會復蘇，峰值會比24周期稍強（預測峰值115）。
02
太陽的磁場來自哪裏？
科學家根據地球磁場的經驗曾認為太陽的磁場來自其恒星深處，但根據【自然】2024年5月的一篇研究成果顯示，太陽的磁場可能來自太陽淺層不穩定的電漿（該結果在學術界尚存在爭議）。
太陽作為一個巨大的等離子球，其帶游離子體旋轉時就能產生強大的磁場，這些電漿位於「對流區」，這部份區域從太陽表面向下約20萬千米，占太陽半徑的三分之一。他們最初認為磁場受整個對流區的影響，但實際運算的結果顯示僅最表層的不到2萬千米的對流區對太陽磁場產生影響。
電漿環沿著太陽線磁力線噴出形成日冕
研究人員利用日震數據對太陽電漿的流動建模。日震是天文學家根據太陽表面漣漪振動推斷出太陽內部的震動情況。經過國家級的超級電腦長時間的計算，他們發現太陽表面深度5%到10%的電漿運動產生的磁場與實際觀測到的太陽磁場最接近。假如將更深層的運動放入模型，則計算結果與觀測結果就無法匹配了。
03
什麽導致磁場反轉
太陽還有一個重要但鮮為人知的周期——黑爾迴圈周期，它包含兩個11年的太陽周期。在第一個太陽最小期時，太陽南半球或北半球同一個半球中，所有雙極黑子的磁場極性分布都相同，表現出太陽的南北極。到了太陽最大期時太陽磁場變得混亂沒有明確的磁極。之後太陽磁場反轉，太陽南北兩個半球的雙極黑子的磁場極性發生對換，變成「北南極」。然後在下一個11年中太陽磁場再次經歷混亂與反轉，變回最初的南北極。
這種逆轉是由太陽黑子驅動的，太陽黑子是太陽表面上的顏色較暗的漩渦，它們的面積最大可以裝下一個地球，約4500℃比周圍低1000到2000℃，壽命從幾天到幾周不等。太陽黑子很少單獨活動，經常成對出現，並隨著太陽自東向西自轉，習慣上將西邊的稱為前導黑子，東邊的稱為後隨黑子，黑爾發現它們的磁場極性總是相反的，所以又稱為雙極黑子。
太陽黑子與日冕、耀斑活躍相關
同時黑子出現的位置也反映了太陽磁場的變化。在太陽最小期，黑子少量出現在赤道附近，它們表示這裏發出了磁力線。隨著太陽活動的增強，黑子逐漸向太陽的南北緯30°移動，這種黑子是由入射磁力線造成的。隨著磁活躍區域向南北兩極移動，太陽磁場最終會被逆轉。
04
轉換要多久？
太陽磁場的翻轉不是一瞬間完成的，也不像地球磁場轉換那樣以南北極移動為明確的標誌，需要從兩極到復雜磁場的逐漸過渡，再到反轉兩極，這段過程中並沒有一個特定的時刻來標誌磁場的轉換完成。
完全逆轉通常需要一兩年的時間，但第24個太陽周期的磁場轉換花了將近5年，因此這個轉換時間也不固定。
太陽磁場的翻轉是如此緩慢，多數人不會註意到它何時發生。太陽磁場極性的翻轉會帶來一些副作用，不過無論聽起來多麽戲劇化，它都不是災難的標誌。
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磁場反轉如何影響我們？
太陽正進入活躍期，向宇宙發射了許多強大的太陽耀斑和日冕物質拋射，這在地球上引發了強烈的地磁風暴，讓衛星、太空人處於風險之中，讓星鏈衛星通訊受阻，讓我們在更低緯度看到了極光。
馬斯克5月份說因20年來最強太陽風暴，星鏈衛星服務受影響
磁場反轉過程中太陽的磁場向外散播的「電流片」（從太陽赤道向外放射線數十億千米的廣闊表面）更密集，為地球提供了更強的屏障，這道屏障能夠保護航天器和太空人免受高能宇宙線（以接近光速傳播的高能亞原子粒子）的傷害。
模擬的太陽磁場制造的日光層電流片圖
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地球磁場的反轉
地球的磁場在歷史上發生過多次反轉，地磁的北極和南極位置互換，那樣的話指南針的指標也會指向相反的方向。
地球的磁場來源於地球的外核。外核在地幔以下，那裏的溫度非常高，從外側的4400℃到內核附近的6100℃，高溫讓地核的鐵鎳金屬成為液體。這個流體鐵液是巨大的導體，在地球自轉的過程中不斷流動形成回路，由於電磁感應就產生了電流和地球磁場。由於外核回路一直在流動，這導致地球磁極也一直在移動（每年漂移十幾到幾十公裏）。
地球磁場
指南針指向的是地磁北極而非地球的北極點，這種偏差被稱為磁偏角。因此在實際的測繪和導航中，需要根據時間和地點用最新的地磁數據對指南針進行校準，來消除磁偏角的影響。
根據地質考古我們知道地球的磁場在過去7500萬年中至少反轉170次。地球的磁場反轉過程遠比太陽磁場反轉漫長得多，一般需要幾千到一萬年才能完成轉換。期間地磁會經歷減弱、混亂、消失、重建等步驟，然後維持3萬到150萬年不等的穩定期後，進入下次反轉。
由於地磁改變會對全球巖石磁性同時產生影響，科學家將地層磁性反轉的痕跡和放射性元素衰變做比對，制作了450萬年以來的地磁極性轉向年表。考古學家用地層巖石的磁性痕跡比對年表，就能把這個地層的年代精確到千年級別。
雖然地球磁場保護我們免受太陽風、高能宇宙線的傷害，但它反轉時對生物圈的影響並不大。目前沒有發現任何生物大滅絕事件與地球磁場反向相關。這可能是因為大氣和水都沒有磁性，因此地磁反轉不會對氣候和生物圈產生太大影響，只有少數依靠地磁導航的生物可能會受到影響。
地磁極性轉向年表
