太陽磁場（英文名：solar magnetic field），是指分布于太陽和行星際空間的磁場。
1919年，物理學家拉莫爾提出“太陽發電機”理論對太陽磁場的起源進行了解釋，他提出太陽內部對流層中的帶電流體運動和磁場的相互作用，像一個發電機那樣，形成和發展了磁場。除此之外，還有化石學說來進行證明太陽磁場的起源，即而太陽極區磁場是幾十億年前形成太陽時的物質遺留下來的磁場化石。而根據已有的觀測結果來看，太陽磁場主要可分為日面磁場、普遍磁場與行星際磁場、黑子磁場等類型。其中，日面磁場多個磁極縱橫交錯，較為復雜；普遍磁場強度較弱，且不易觀測；而行星際磁場對地球磁場影響較大，也和行星際磁場融為一體。
1896年，荷蘭物理學家彼得·塞曼（英文名：Pieter Zeeman）提出了塞曼效應，為之后對太陽磁場的觀測奠定了基礎。之后的20世紀歷經美國科學家喬治·海爾（英文名：George Ellery Hale）和天文學家H·巴布科克（英文名：Horace Welcome Babcock）等科學家的研究發現了太陽磁場每22年會進行極限反轉，并發明了磁象儀對太陽普遍磁場的進行研究。至現代，中、美等國家都已建立可觀測太陽磁場的探測器、探測網等。
因太陽磁場對太陽大氣結構、磁湍流結構都有一定影響。所以，太陽磁場的研究是天文學的一個重要研究領域，也是日地關系邊緣科學家關注的熱點。同時，地球磁場也受到太陽磁場的影響，研究太陽磁場對日地關系研究、太陽與氣象、航天與航空方面都有著重要的實際意義。
簡史
早期發現
1896年，荷蘭物理學家彼得·塞曼提出了塞曼效應，為之后對太陽磁場的觀測奠定了基礎。20世紀初，美國科學家喬治·海爾首次發現了太陽磁場。他在威爾遜山天文臺建立了一個60英寸的望遠鏡，通過此望遠鏡海耳首次發現了太陽黑子中的磁場。并在1919年，海耳與物理學家沃爾特·S·亞當斯（英文：WalterS．Adams）提出太陽磁場每22年會進行極限反轉，即太陽黑子周。同時，他還通過磁象儀發現了太陽的普遍磁場。
后續發展
1951年，美國天文學家H·巴布科克將分光鏡技術應用于塞曼效應分裂的觀測，發明了磁象儀（英文名：magnetograph），而其原理便是通過分光鏡系統，輪流讓塞曼效應分裂的不同支線——左旋光和右旋光輪流進入光譜儀，進行較弱的縱向磁場測量。而到了現代，因觀察太陽磁場具有一定重要性，中國、美國等國家都開始陸續使用探測器或者建立探測網對太陽磁場進行觀測，美國航空航天局于2010年發射探測器“與恒星共存”（英文名：Living with a Star），并對太陽磁場的結構與產生機制進行了研究，發現太陽磁場中的能量通常以太陽風和高能粒子等形式影響地球空間和日球層。而中國已實現對太陽大氣各個層次的探測。配合地面望遠鏡在可見光、紅外和射電波段的探測。并已初步建立綜合性的太陽觀測網。
起源
太陽發電機理論
關于太陽磁場的形成起源，在1919年，物理學家拉莫爾提出“太陽發電機”理論進行解釋，他提出太陽內部對流層中的帶電流體運動和磁場的相互作用，像一個發電機那樣，形成和發展了磁場。
20世紀60年代初，物理學家巴布科克和賴登提出用由光球等離子體較差自轉引起的磁力線纏繞來解釋太陽磁場。到了1955年，物理學家帕克在“太陽發電機”理論的基礎上再提出：星體內較差自轉和小尺度的回流可維持自激發電機過程，即認為太陽內部的等離子體可以認為“凍結”在磁場上，它們隨著太陽大氣一起轉動。由于太陽有較差自轉，即太陽赤道區域比高緯度區域轉得快。就造成磁力線扭曲纏繞成磁流繩結，使緯向磁場產生和發展。有的磁流繩冒出太陽表面并形成了太陽黑子區磁場。
化石學說
除了“太陽發電機”理論外，還有一種化石學說，即認為太陽現有的磁場，尤其是極區磁場是幾十億年前形成太陽時的物質遺留下來的磁場化石。理論計算表明，太陽極區磁場的自然衰減期可長達100億年，所以太陽的磁場長期存在是有可能的。
基本特性
極限反轉
太陽與地球相同，存在磁性，其南極洲可在10km的范圍內產生遍布太陽的背景磁場，它的強度約為，也被稱為普遍磁場。而普遍磁場最大的特點是平均每22年出現一次極性反轉，即S極變為N極，N極變為S極，也被稱為太陽黑子周。1957年，美國天文學家H·巴布科克便發現了這一極限反轉現象。
太陽磁場的組成
太陽磁場由三部分組成，一是太陽局部磁場增強區，這是指太陽活動區磁場；另一部分是太陽普遍磁場，即太陽寧靜區磁場，該磁場較弱，一般在兩極區比較明顯，只有1~2，強度和極性都會變化；第三部分是太陽整體磁場，是日面各部分徑向磁場的平均值。整個日面的磁場可分為4個區域，相鄰兩區極性相反，極性分界線（面）大致平行于日面經線。隨著太陽自轉，便可觀測到N、S極性的交替出現和強度的規則變化。太陽整體磁場一直擴展、延伸到整個行星際空間；即是行星際扇形磁場。
分類
太陽的磁場較為復雜，其有遍布各處的普遍磁場（其磁場強度一般為）與較強的活動區磁場（），而且日面的磁場分布很不均勻。除了普遍磁場和活動區磁場外，根據已有的觀測結果，還存在日面磁場、行星際磁場、黑子磁場、日珥的磁場等。
日面磁場
日面磁場非常復雜，往往多個磁極縱橫交錯。太陽耀斑爆發就經常發生在這些磁場結構復雜的區域。觀測研究中表明，光球中的磁結構除了黑子區的強磁場外，還有強、弱不同的磁場網絡等結構。
普遍磁場
太陽的普遍磁場只有（即），強度較弱，它的分布很不均勻，其極性在較短的時間內發生轉換。不易觀測，但是可以通過太陽磁象儀和太陽磁場望遠鏡來觀測。
行星際磁場
而太陽磁場不僅存在于日面上，在太陽系行星際空間內也有存在，和行星際磁場融為一體。太陽磁場延展扇形結構磁場團團包圍了地球磁層。空間探測表明，行星際磁場起源于太陽，為扇形結構，其扇形邊界隨太陽自轉而不斷掃過地球。地球對此有系統的響應，如地球磁場受其影響產生周期性的擾動，大氣的渦度面積指數也因扇形邊界的通過而受調制，南極地區的大氣垂直電場在扇形邊界通過后幾天達到極小值，而與扇形邊界內磁場的方向無關。同時，日冕發出的太陽風裹挾著太陽磁場向外延伸至各大行星的公轉軌道之外，可以保護地球，降低宇宙射線對地球的影響。這些向外延伸至行星際空間或日球層的磁場，叫做行星際磁場或日球層磁場。
黑子磁場
黑子是太陽磁場的聚集區域，太陽爆發活動的源頭就是黑子所在的活動區,為其日面上磁場最強的區域。以黑子為主要標志的太陽活動區也必然受黑子強磁場的制約而變化。太陽黑子實際上就是聚集著大量磁通量的區域。且太陽黑子成對出現，沿東西方向排列，一組將具有正磁場或北磁場，而另一組將具有負磁場或南磁場。在黑子內部本影磁場接近垂直，而半影磁場相對傾斜。但是本影中的亮橋和半影中的徑向纖維中的磁場與背景環境結構明顯不同。根據觀測和模擬數據顯示，在黑子內部磁場環境突變會產生由磁重聯驅動引起在亮橋附近的增亮和噴流，以及整個半影中的微噴流等。太陽黑子的磁場比周圍光球層強約 1000 倍。
日珥的磁場
太陽的日珥都有較強的磁場，不同的日珥和日珥的不同細節的磁場有差別，一般說，活動日珥（尤其某些細節）比寧靜日珥的磁場強些，可達150~200.磁場對日珥的形成及變化起重要作用。而日珥的磁場的磁力線方向也各不相同。寧靜日珥大致呈水平方向，活動日珥的磁場結構比較復雜，爆發日珥則是螺旋狀。
內部磁場
太陽內部的磁場即發電機理論，在太陽內部，磁場不是穩態的，由于恒星內部等離子體電離度比較高，磁場和等離子體凍結在一起。等離子運動帶動磁場一啟動，等離子運動其實吹出磁場來，在垂直磁場方向上相當于新的磁場，即放大磁場。
活動區磁場
太陽上最強的磁場出現在以太陽黑子為中心的活動區中。黑子本身的磁場強度約為1000~4000，具有各種極性分布，但大多數為雙極結構。黑子附近譜斑區的磁場一般為幾百，可看作是黑子強磁場向黑子邊界外的延伸，其極性取決于黑子群的極性分布。黑子上空色球和日冕中的磁場估計只有幾至幾十高斯。單個活動區在日面上的延伸范圍一般自幾千至十幾萬千米，并且出現在太陽赤道兩邊50°以內的中低緯度帶。活動區的數目和總磁流具有平均長度為11年的周期變化。
影響
太陽活動
除了光球、色球到日冕層中的高溫等離子體外，太陽磁場的存在對太陽活動起到了關鍵性作用，而太陽活動的本質即為磁活動現象。太陽磁場牽制和支配了太陽大氣的各種物理狀態、運動和演化，特別是日冕物質拋射、太陽耀斑、黑子等活動現象，其能量均來自太陽磁場。如太陽黑子的產生、發展以及周期性的變化都是太陽磁場及其變化所引起的。不僅如此，太陽磁場對日冕加熱、色球反常等也都起著關鍵性作用。除此之外，太陽也是處于動態變化之中，時刻產生和重組。
地球磁場
因太陽磁場對太陽大氣結構、磁湍流結構都有一定影響，所以，太陽磁場的研究是天文學的一個重要研究領域，也是日地關系邊緣科學家關注的熱點。同時，地球磁場也受到太陽磁場的影響，研究太陽磁場對日地關系研究、太陽與氣象、航天與航空方面都有著重要的實際意義。
東南亞季風
根據研究太陽磁場磁性指數序列，并分析了其變化規律與特征可以得出對應年代的東亞夏季風指數以及東亞地區的海陸溫度變化趨勢。同時，基于Morlet小波分析法對太陽磁場磁性指數和東亞夏季風的相關性做了相應的分析，并在此基礎上分析了太陽活動影響東亞夏季風的途徑。并得出結果：東亞夏季風也存在較大幅度的減弱并與太陽磁場磁性指數呈負相關；且太陽磁場磁性指數與東亞夏季風存在相同的22年和40年層次周期。
相關理論
α效應
而除了“太陽發電機”理論之外，還有一種由物理學家斯廷貝克提出的效應，它能解釋極向磁場產生環狀磁場的機制，并對流推動極向磁力線將其向上托起旋轉引起扭轉，產生效應，形成與極向方向垂直的場，即由極向方向的場產生環向場，扭轉部分相當于一個磁體的磁場，其方向與原磁場垂直。
測量方式與設備
因太陽距離地球較遠，無法直接地測量太陽的磁場，而只能采用間接的方法來測量，即通過磁場對電磁輻射的影響來測定磁場。而太陽磁場的測量主要借助于太陽光譜線的塞曼效應進行，而現代的弱磁場觀測儀大都基于巴布科克發明的磁象儀原理。
塞曼效應
1896年，荷蘭物理學家塞曼發現當把光源放在磁場內時，光源發出的光譜線變寬，再經過仔細觀察后塞曼發現，“變寬”的譜線實際上是分裂的幾條譜線，這一現象也被稱之為塞曼效應。而在具有磁場的太陽大氣中，太陽的光譜線會發生塞曼效應而產生分裂。這些分裂的單色光具有一定的偏振態，并且裂距與磁場強度成固定的函數關系。太陽磁場的測量就是借助了太陽光譜線在磁場的塞曼三分裂進行的，通過測量分裂單色光的光強和偏振態反推出太陽磁場。
測量設備
要實現太陽磁場的測量，望遠鏡的光學系統應具有三個主要組成部分：成像光學系統、濾光系統和偏振分析器。而太陽磁場的設備發展至現代，大致可分為光譜儀型和雙折射濾光器型。光譜儀型測量設備觀測的是沿著光譜儀狹縫方向的線源信息。通常以光柵作為色散元件，用狹縫掃描太陽像，可以得到較高的磁場測量精度。但此設備需觀測的時間較長，不宜觀測短時間磁場能量釋放的過程。如美國夏威夷大學Mees天文臺的斯托克斯參量儀便是該類型的測量儀器。而雙折射濾光器型是以濾光器作為濾光元件，它可以直接得到太陽二維圖像，實時跟蹤太陽磁場的形態演化的測量儀器。但該設備的缺點是不能得到譜線輪廓，精度稍低。如中國懷柔太陽觀測站的35厘米太陽磁場望遠鏡和全日面向量磁場望遠鏡便是該設備。
設備發展
20世紀70年代，中國發展了測量太陽磁場的儀器，在中國物理學家艾國祥的帶領下研制出了太陽磁場望遠鏡，該望遠鏡能夠觀測光球的矢量磁場和速度場、色球的縱向磁場和速度場。后又發展成為九通道望遠鏡。2022年10月9日上午，中國綜合性太陽探測衛星“夸父一號”成功發射完成，而“夸父一號”主要任務便是觀測“一磁兩暴”。同時，“夸父一號”攜帶了3臺儀器載荷，分別是專門觀測太陽磁場的全日面向量磁像儀。而全日面矢量磁像儀是中國第一臺空間太陽磁場測量設備，其時間分辨率相對較高，可實現全日面光球矢量磁場的持續觀測，與國際同類載荷相比具有更高的磁場測量靈敏度和時間分辨率。
重大事件
太陽磁場“放大器”
2020年9月，中國科學院紫金山天文臺太陽活動多波段觀測與研究團組對一例運動黑子的磁流體動力學過程進行了觀測與分析。研究人員認為，這是一例由運動等離子體所造成的局地磁場放大的現象。正如無線網絡信號可以被放大器放大、增強，這一效應堪稱太陽表面的天然磁場“放大器”。他們認為，該磁場“放大器”對人類認識黑子、耀斑、日珥等一系列太陽活動，具有重要意義，而相關研究成果已于《天體物理學雜志通訊》發表。
太陽磁場帕克螺旋
2019年7月29日，英國《自然?物理》雜志在線發表了一項物理學突破，即美國團隊成功在實驗室創造出太陽磁場帕克螺旋。這是一個太陽磁場和等離子體流螺旋結構的實驗模型，該模型可被看作是對該理論及相關現象的一個替代研究方法，并將對帕克太陽探測器等太空任務進行補充，研究團隊表示，雖然帕克螺旋的復雜和膨脹程度均比這個實驗室所模擬的要大得多，但他們的等離子體模型準確再現了太陽磁場的結構。他們認為，該模型可用來進一步研究太陽風的起源和演化。同時，研究團隊表示，雖然帕克螺旋的復雜和膨脹程度均比這個實驗室所模擬的要大得多，但他們的等離子體模型準確再現了太陽磁場的結構。他們認為，該模型可用來進一步研究太陽風的起源和演化。
學術研究
水星鐵核猜想
馬里蘭大學的一項新研究對有關水星的一個流行假說提出了質疑。該假說解釋了水星為何有著相對其地幔（介于行星內核和地殼之間的部分）而言較大的內核。長期以來，科學家們普遍認為，在太陽系形成過程中，與其他天體多次撞擊分離導致水星地幔大量流失，并留下了巨大、致密的金屬內核。但該假說提出，金屬內核產生的原因不在于碰撞，而在于太陽的磁性。馬里蘭大學地質學教授威廉·麥克多諾和東北大學的吉崎昂開發了一個模型，顯示一顆巖態行星內核的密度、質量和鐵含量受到其與太陽磁場距離的影響。研究人員發現，在巖態行星的內核中，內核的密度和鐵的含量與行星形成時太陽周圍磁場的強度相關。他們的新研究表明，在今后描述巖態行星包括太陽系外巖態行星構成的嘗試中，應該將磁性考慮進去。
減弱陽光猜想
根據《太陽的磁場減弱了陽光》一文記載，多數天文學家都認為熱和光的恒源，并將達到地面平均距離的輻射量稱為“日光常數”。但是這個常數在持續地下降。文中提出，因為太陽磁場的影響，限制了太陽的總輻射，使太陽的輻射減弱百分之零點幾，而陽光強度也隨之減弱。
結構和演化研究
2001年，中國科學院發表《太陽磁場結構和演化的研究》一文，文中講解了如何理解在基本磁元尺度太陽磁場的性質，它們在太陽活動和動力學過程中的作用；再是說明如何認識活動區向量磁場的特征，并理解太陽大氣中磁場積累和爆發式釋放過程。幾年后，中科院院士汪景琇也憑借“太陽磁場結構和演化研究”成果獲得了2009年中國國家自然科學獎二等獎。
參考資料 >
天文學名詞. 國家天文科學數據中心.2024-01-18
太陽磁場.中國大百科全書.2024-01-27
人類成功在實驗室造出太陽磁場帕克螺旋----中國科學院.中國科學院.2024-01-18
中國初步建立綜合性太陽觀測網.中國科技網.2024-01-17
國家天文臺科研人員在太陽黑子中發現特殊磁場位型下的磁重聯過程.中國科學院國家天文臺.2023-07-10
Sunspotsand the Solar Max.earthobservatory.nasa.gov.2023-07-11
35cm太陽磁場望遠鏡.中國科學院國家天文臺懷柔觀測基地.2024-01-18
科學家發現太陽磁場“放大器”.今日頭條.2024-01-18
中國學者發現太陽磁場“放大器”.今日頭條.2024-01-18
人類成功在實驗室造出太陽磁場帕克螺旋.今日頭條.2024-01-18
研究發現水星巨大鐵核與太陽磁場有關.今日頭條.2024-01-18
研究發現：水星巨大鐵核與太陽磁場有關.今日頭條.2024-01-18