在中国古代文献中，留下了许多太阳黑子的观测记录。据《汉书•五行志》记载：“河平元年，三月己未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中。”这是被公认为世界上最早的有关太阳黑子的记录。在欧洲的天文观测史上，人们也很早就注意到了太阳黑子现象。1607年，著名天文学家开普勒在日面上发现了黑子，但他不敢相信太阳上还会有暗黑的斑点，竟误以为是金星凌日，因而错过了一次绝好的发现机会。直到1611年，伽利略在望远镜中观测到了太阳黑子，才打破了教会宣扬的“太阳是完美无缺、白玉无暇”的神话 。

一、黑子形成之谜

太阳黑子是太阳活动的主要标志之一，系统的太阳黑子观测从十七世纪初期就开始了。一百多年来，太阳物理学家们一直在孜孜不倦地钻研着黑子的本质问题。现在弄明白了，黑子并不真是黑的，它们也是炽热明亮的气体，温度大致有4000多摄氏度，只是因为它比周围光球温度低1—2千摄氏度，因而在明亮背景的衬托下，温度低的区域显得暗黑了。

黑子是怎样形成的呢？这是学术界一直在探讨的问题。1941年，德国天文学家比尔曼创立了磁场抑制对流理论，他认为黑子的强磁场使来自对流层的热量传送不到黑子里面去，因此黑子变冷了。这一假说利用了黑子的强磁场特性，解释了黑子低温的原因。这个学说问世之后曾风靡一时，但后来却暴露出许多破绽。如果黑子里面没有对流，也就不会有米粒组织，但实际情况并非如此，更何况被磁场抑制的对流所输送的能量又到哪里去了呢？

针对比尔曼学说的理论疑难，美国的帕克教授提出了与之相对立的一种观点，认为黑子低温是由磁场引起的，但磁场没有抑制，而是促进了能量的传输。黑子强磁场把大部分热流转换成磁流体波，它们沿磁力线跑掉了。这一学说虽然部分解释了黑子现象，但有关黑子形成的内在问题并没有说清楚。

人们关于太阳黑子的最大疑问，莫过于它的活动周期了。太阳黑子十一年的活动周期是19世纪40年代发现的，此后一直被认为是太阳活动的基本周期。

结合黑子的活动周期，美国天文学家巴布科克提出一种假说认为，太阳有普遍的磁场，而磁力线埋在光球下面不深的地方。赤道附近自转较快，“冻结”在那个区域的磁力线就紧紧地缠绕起来。由北极出发伸向南极的磁力线绕太阳转了许多圈，愈近赤道，绕的圈子愈多。那里的磁场不稳定，磁力线一旦冒出日面，就构成黑子。随着时间推移，黑子磁场扩散，原来的普遍磁场被中和掉了，接着出现极性相反的普遍磁场，于是产生了太阳黑子活动的周期性变化。

巴布科克假说在一定程度上较好地说明了黑子群出现的区域特征。人们在对黑子的长期观测中发现，黑子在日面上的活动范围具有一定的局限性，它们大部分出现在日面南北半球纬度5°— 25°之间，赤道附近和高纬度区黑子很少。除赤道外，黑子的爆发区域，正是理论上预计的最容易冒出磁力线的地方。

但是，这一理论模型却存在着一个致命缺陷，按照巴布科克的观点，黑子应该最先在赤道一带形成，然后向高纬度区扩散。而实际情况却是赤道附近几乎没有黑子活动，在一个活动周期开始的时候，黑子往往在纬度高处（约±30°）出现，之后逐渐转移到±15°，最后结束于低纬度区。如果把南北两半球的黑子按时间序列画出来，就可以得到一幅美丽的“蝴蝶图”，黑子的移动轨迹与理论预计的正好相反。由此可见，巴布科克假说无法成立。

总之，现代天文学界在黑子的形成问题上，倾向于认为太阳磁场是形成黑子的关键因素。但至今尚没有一种模型，能够对黑子的形成过程做出合理阐述。

二、黑子——太阳表面的气体旋涡

关于黑子的形成问题，本文提出一种假说，认为太阳黑子的形成原因，不在于太阳内部，而是源于太阳外部，太阳黑子的本质是行星引力场在太阳表面引起的气体旋涡。

我们知道，行星围绕太阳运动轨迹是一条椭圆形曲线，在每个公转周期内，行星都要在近日点接近太阳一次；因此行星的引力作用将周期性地对太阳表层气体产生扰动，产生类似地球上的潮汐效应。

当行星运行到近日点时，引力作用达到极大值。处在中纬度区的气体，在行星引力作用下，将产生向低纬度区运动趋势。这些流动的气体在纬度30°区附近汇集，进而形成了一定规模的旋涡，这就是太阳黑子。

天文学家们在观测中发现，太阳黑子确实呈现出涡旋式的结构特征。太阳黑子是由较暗的核 [本影] 和围绕它的较亮部分 [半影] 构成的，形状象一个浅碟，中间凹陷约500公里，中间温度低，四周温度高。在对黑子进行高分辨率观测中发现，黑子内存在着精细结构，表现为黑子内磁力线随深度有很强的扭转和旋涡结构。

旋涡状结构是导致黑子降温直接原因。由于形成黑子的气体旋涡是一种下旋旋涡，太阳表层气体由上向下旋转，物质向太阳深层流动，因而降低了太阳内对流层对外的热量传输，所以该区域相对呈现出暗黑色。

美国斯坦福大学汉森实验物理实验室的一个研究小组，根据欧洲航天局的太阳与日光层观测卫星(SOHO)上的迈克尔逊—多普勒成像仪的数据，首次绘制出了太阳黑子内部的细节图像。

他们在对1998年的一个大型太阳黑子的研究中发现，在这个太阳黑子的下层存在一股向太阳内部方向运动的等离子体流。这一等离子体流先以较慢的速度运动，当到达距表面4800公里处时，运动的速度突然加快。

科学家们说，向下的等离子体流减少了太阳在黑子区域释放的热量，这可以用来解释为什么太阳黑子比太阳光球层其它区域的温度低。

由于形成黑子的气体旋涡直接深入到太阳内部，如同在太阳表面开凿出了一个洞穴，气体旋涡中心的压力相对较低，因此太阳内部的高温等离子体会在黑子磁场控制下，不时地从旋涡中心跑出来，这时就会出现本影闪耀或米粒组织。而有些大黑子的气体旋涡已延伸到对流层，对流层内的高温高压离子体，就会沿着旋涡中心空洞直接喷发出来，这时发生的就是耀斑爆发。从色球层上喷发出来的炽热气体，在数十秒钟到一二十分钟内所释放出来的能量，相当于太阳在一秒钟内辐射出来的总能量，所以人们又把它称之为色球爆发或太阳爆发。由此不难理解，耀斑以及一系列太阳活动现象，大都发生在黑子群上空的原因。

与黑子相伴生的还有另一种日面活动——超米粒组织。当日面上的某一区域随着太阳自转渐渐背向行星时，行星的引潮力将使该区域的气体产生由低纬度区向高纬度区的流动趋势，这时就会形成一股上升的气体旋涡。它像地球上的龙卷风一样，物质向上盘升，蕴藏在太阳内部的热能被直接释放出来，使日面局部区域的温度急剧升高，它就是超米粒组织。

观测显示，超米粒组织直径一般在3万公里左右，中心区域气体有上浮现象，边缘具有较强的磁场。理论上推断，它的形成过程和运动轨迹与黑子正好相反。

黑子的活动周期是由行星公转周期决定的，黑子的大小和数量与行星的引力效应成正比。木星是太阳系中最大的行星，质量是其他所有行星质量的2.5倍，不言而喻，日面上的大黑子是由木星引起的，而像金星、地球和其他行星，只能引发较小的黑子。黑子出现的峰值与行星的公转周期相对应，木星的公转周期为11.86年，这正接近于太阳黑子的基本活动周期。

另外，天文学家在长期的观测中发现，黑子活动还存在着一个80年左右的周期，被称为世纪周期。这一周期的形成应该与行星的公共周期有关。不难想象，当九大行星汇聚在一起的时候，势必引发大规模的黑子爆发。1982年太阳系行星发生九星联珠时，太阳黑子明显增多就证明了这一点。

三、黑子的磁场及磁极转换

黑子最主要的物理特性，就是它具有很强的磁场，强度可达三、四千高斯，比日面其他地方的磁场高出许多倍。那么，黑子的磁场是怎样形成的呢？

按照笔者提出的磁场形成假说（详见《地球磁场的起源》一文），所谓磁现象是旋转质量场产生的一种力学效应，同方向旋转的质量场相互吸引，逆方向旋转的质量场相互排斥；磁场的磁极方向（N极）由左手定则判定。

因此，任何旋转的物体都将产生磁场，包括旋转的星系、自转的星球和带有自旋的基本粒子。当然，各种物质旋涡也不例外，太阳黑子的磁场就是太阳表层气体在旋转过程中形成的。黑子的磁场体现了它的结构特征，与黑子的低温现象无关。

太阳黑子的活动周期与其磁场是有内在联系的。1919年，美国天文学家海耳指出，黑子具有22年磁极周期转换现象。

一个黑子群往往含有两个较大的黑子，它们正好配成一对，在日面上一前一后随太阳自转移动。前面的称为前导黑子，后面的称为后随黑子。在观测中海耳发现，当太阳北半球的前导黑子磁场为S极时，后随黑子的磁场则为N极，而且整个北半球上黑子的磁性都是如此。与此同时，南半球上的前导黑子磁场为N极，后随黑子磁场为S极。这种现象在同一个黑子周期内保持不变。然而，经过两个太阳活动周期（约22年），就会出现一次变化，南北半球黑子的磁场极性发生对换。北半球的前导黑子由原来的S极转换为N极，后随黑子则由原来的N极转换为S极。南半球发生的情况正好与之相反，前导黑子由原来的N极转换为S极，后随黑子则由原来的S极转换为N极。

再经过22年，黑子磁场的极性又会发生一次转换，即恢复到原来的样子。这就是黑子磁极周期转换现象。太阳黑子的22年活动周期，又称磁极转换周期。

黑子磁极的周期性转换现象说明，形成黑子的气体旋涡存在着两种方向的旋转，且在周期地改变着方向。下面就让我们对黑子磁极的转换过程进行探讨。

按照角动量传输原理，在太阳与行星之间发生着角动量转换。由于每个行星的公转周期都大于太阳的自转周期，太阳的自转角速度大于行星的公转角速度，所以太阳将向行星传输角动量，太阳自转角动量因此而减小。又因为太阳是一个气态星体，物质间相互作用较弱，且太阳系行星总质量只是太阳质量的0.2%，所以行星引力场的逆向牵引不足以影响整个太阳的自转，只能使太阳表面对流层以上的物质进入了减速状态。因而，在行星引力场的作用下，太阳表层物质与深层物质的自转出现了不同步性。

对太阳本身来说，不同层面的物质自转出现了不同步性，它们之间将进一步发生角动量转移。其结果是表层物质源源不断地从深层物质处获取角动量，自转又由减速状态渐渐转入加速状态。

就是说，太阳表层物质在与行星的角动量传输过程中，失去角动量，进入了减速状态；而在与深层物质的角动量传输过程中，又获得了角动量，由减速运动转入加速运动。不难看出，太阳表层物质实则处在一种摆动式运动状态。

天文学家在对太阳脉动的研究中发现，在太阳内部光球下面一万公里的对流层，自转情况和表面差不多；再往深处五千公里处，自转速度明显地比表面快。这一现象说明，太阳表层物质与深层物质的自转并不同步，与角动量传输理论推测相符。

在太阳与行星的角动量转换过程中，太阳表面物质的减速运动将形成一股逆向的物质流。经过一个行星公转周期，物质流的逆向速度将达到极大值。进入第二个行星公转周期，由于太阳不同层面物质自转速度出现差异，深层物质的角动量传输作用开始显现出来，逆向运动物质流的速度处于减速状态。在本周期结束时，物质流的逆向速度减至为零。进入第三个行星公转周期，太阳深层物质的角动量传输继续发挥作用，它将使太阳表层物质运动速度不断加快，进而形成一股正向的物质流，在本周期结束时，物质流的运动速度将达到极大值。进入第四个行星公转周期，由于太阳表层物质的自转速度大于深层物质的自转速度，表层物质开始向深层物质传输角动量，因而物质流处于减速运动状态。在本周期结束时，正向物质流的运动速度减至为零。太阳表层物质的摆式运动由此完成了一次周期性循环。

简言之，太阳表层物质运动的振荡周期，是由四个行星公转周期组成的。在前两个周期，太阳表层物质处在减速运动状态，形成的是一股逆向物质流，运动方向与太阳的自转方向相反。在后两个周期，太阳表层物质处在加速运动状态，形成的是一股正向物质流，运动速度超过太阳内核的自转速度。在太阳系的行星中，以木星质量最大，占行星总质量的70%以上，因此木星十一年的公转周期即可视同太阳系行星的公转周期。就是说，太阳表层物质的运动方向，每二十二年掉转一次。

太阳表层物质的变速运动，将形成两种气体涡旋。当太阳表层物质处在减速运动状态时，在行星近日点引力的作用下，北半球气体首先形成了顺时针旋转的环流，进而在环流中心形成了许多顺时针旋涡。此时，环流北侧边缘的气体运动方向已发生了掉转，与太阳的自转方向相同，因此在环流北侧纬度稍高的区域，又形成了许多次级逆时针旋涡。南半球的情况与北半球正好相反，它首先形成的是逆时针旋涡；之后，在环流的南侧又形成了许多次级顺时针旋涡。

先形成的气体旋涡在日面30°区附近汇集，形成了第一批黑子，它就是前导黑子。根据左手定则判定，北半球的前导黑子的磁场极性为N极，南半球的前导黑子的磁场极性为S极。前导黑子形成不久，次级旋涡随后而至，于是产生了磁场极性相反的后随黑子。

经过两个木星公转周期，太阳表层物质转入加速运动状态。同样道理，在北半球首先形成了许多逆时针旋涡，南半球形成了许多顺时针旋涡；之后，在相邻的偏高纬度区又形成了许多反向的次级旋涡。先形成的旋涡在纬度30°区附近汇集，形成了第一批黑子，即前导黑子。根据左手定则判定，北半球的前导黑子磁场极性为S极，南半球的前导黑子磁场极性为N极。稍后，在南北半球各形成了磁场极性相反的后随黑子。

太阳表层物质摆式运动的振荡周期是由四个木星公转周期组成的，每两个周期（22年）运动方向改变一次，黑子磁场方向随之发生转换，因此，由两个木星公转周期（ 22年）组成了黑子活动的基本周期。以上就是黑子磁极转换的发生过程。

太阳黑子活动规律并不是一成不变的，英国天文学家蒙德尔指出，从公元1645年至1715年这70年间，太阳活动的平均水平特别低，极少出现黑子。天文学上把这段时间命名为“蒙德尔极小期”。美国天文学家艾迪根据收集到的证据进一步指出，在近7500年来，太阳活动的水平并不是相同的，而是经过了一系列的极小期和极大期，蒙德尔极小期只是其中最有名的一个，它至少发生过8 — 10次。

蒙德尔极小期和极大期的出现表明，在过去的一万年间，太阳表面的气体运动或行星公转曾发生过某种变化。对蒙德尔极小期和极大期的一种可能解释是，在一段时期，太阳表面气体的周期性振荡转为匀速运动，无法形成气体涡旋，太阳活动由此进入了低谷期。