太阳活动周强度变化起源的研究

太阳活动不仅呈现一定的周期性变化，每个活动周的强度也有所不同。对太阳活动周强度变化的研究不仅是理解太阳磁场产生机制的重要组成部分，而且对地球气候和日球层物理等的发展都有重要帮助。我们基于太阳表面磁通量输运模型、黑子浮现特征、太阳活动周轮廓以及极区磁场和活动周强度的关系等来分析观测所得的太阳活动周变化的特征产生的原因。重点要回答产生类似Maunder极小期、活动周奇偶现象等的产生机制，寻找是否存在太阳活动极大值。本项目避开了解释这类现象通常所采用的三维非线性太阳动力学发电机模型，因为其中的较多关于太阳内部的假设和近似常使得结果很不理想。本项目所采用的模型很大程度上直接基于观测和理论结果，我们试图第一次基于太阳表面的观测，完整地理解太阳活动周强度变化的原因。

项目《太阳活动周强度变化起源的研究》针对不同的太阳活动周其强度不同，甚至会出现连续几十年活动强度都非常弱的Maunder极小期和二十世纪五六十年代的太阳活动极大期这些现象，研究其产生机制。太阳活动周强度变化的理解对地球气候的认识和空间项目的规划等都会有所帮助。在本项目中我们首先建立了由黑子历史数据驱动的发电机模型，通过其产生的环向磁场与观测的太阳周强度的比对，间接证明了太阳表面大尺度磁场的演化，即Babcock-Leighton机制是太阳发电机过程中极向磁场产生的关键。我们进一步对Babcock-Leighton机制中导致太阳周强度变化的随机性机制做了系统研究。黑子浮现过程中由于湍流源胞的随机作用，其倾斜角的大小呈现了很强的随机性。我们测量了倾斜角的标准方差与活动区面积大小的关系，通过太阳表面磁通量输运的蒙特-卡罗模拟，得出倾斜角的随机分布对太阳大尺度极向磁场强度的影响可超过30%，尤其是低纬度、大面积且大倾斜角的黑子会主导极向磁场强度的变化。我们进一步基于此思路回答了导致近年来太阳活动周强度异常的物理原因，我们发现2002年之后在10度纬度附近有一些反常极性的黑子浮现，它们显著地减弱了第23周极小时的极区磁场，进而使得第24太阳周是百年来最弱的周。之前他人的解释都是猜测子午环流在第23太阳周出现了异常，而我们是首次基于观测提出近年来太阳周异常的真正原因。由黑子倾斜角所带来的随机性机制为太阳活动周强度预报的时间尺度提出了约束，只有在活动周的极小年极区磁场的强度完全建立起来之后才能对下一太阳周的强度做较为准确的预报。我们的工作得到了国际同行的认可，项目负责人在项目执行的4年时间里9次受邀在国际会议上作邀请报告。