萬物生長靠太陽。作為太陽系中唯一的恒星，太陽對地球和行星施加了廣泛而深刻的影響。兩百年來，太陽活動的周期性變化一直是自然科學各領域關注的焦點，11年周期也早已為人熟知。近期，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所的研究團隊通過對古赤道極光數(shù)據(jù)庫的分析研究，證實了古赤道極光記錄可以表征太陽活動變化，并發(fā)現(xiàn)蒙德極小期期間太陽活動變化具有約為8年的周期性。這一發(fā)現(xiàn)為太陽/恒星發(fā)電機理論提供了新的重要約束條件，有助于更好地理解太陽/恒星超級極小期的產(chǎn)生機制和更準確地理解蒙德極小期期間的日地關系。
太陽上時刻發(fā)生著不同類型的活動現(xiàn)象，包括太陽黑子、噴流、耀斑、日珥和日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象。太陽活動的變化取決于太陽發(fā)電機過程。太陽活動的總體水平有大約11年的周期變化，稱之為太陽活動周。太陽有時也會進入持續(xù)幾十年的異常弱的太陽活動時期，稱之為超級極小期（grand minimum）。這種異常弱的超級極小期并非太陽獨有，在其他恒星上已發(fā)現(xiàn)類似太陽活動超級極小期的異常時期。
發(fā)生在1645年至1715年之間的蒙德極小期，通常被視為太陽/恒星活動超級極小期的典型例子。由于蒙德極小期在時間上與歐洲的小冰期重合，常被認為其對小冰期可能具有潛在的顯著影響。蒙德極小期期間的太陽活動規(guī)律是理解太陽/恒星發(fā)電機和超級極小期產(chǎn)生機制的關鍵，也是理解太陽活動超級極小期期間日地關系的關鍵。目前常用的表征太陽活動水平的指標，包括太陽黑子數(shù)、極區(qū)極光、宇宙同位素反演的太陽活動指數(shù)等，在蒙德極小期都驟降至極低水平，難以確認太陽活動周期的存在以及存在狀態(tài)。因此，學術界一直在尋求新的獨立指標去揭示蒙德極小期的太陽活動變化規(guī)律。
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所魏勇研究員提出赤道極光可以作為反映太陽活動水平的新指標。地球上的極光有兩類，除了人們熟知的極區(qū)極光，還有一類發(fā)生在低緯地磁負異常區(qū)的赤道極光。赤道極光與太陽活動周期有關，在太陽活動頻繁的時期發(fā)生的頻率更高。蒙德極小期期間，在西太平洋區(qū)域出現(xiàn)了一個地磁場負磁異常區(qū),創(chuàng)造了赤道極光產(chǎn)生的條件，為研究蒙德極小期太陽活動變化規(guī)律提供了契機（何飛等-PNAS：古代赤道極光揭示西太平洋磁異常演化http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202105/t20210511_6011829.html）。古代中國、朝鮮和日本都在赤道極光的可視范圍內(nèi)（圖1），在古籍中留下了大量的赤道極光的記載。魏勇研究員帶領團隊對朝鮮半島的正史進行了系統(tǒng)的整理，共發(fā)掘出公元1012-1811年期間的2013條極光記錄，相關古籍記錄已整理出版專著《古代朝鮮極光年表》（魏勇和萬衛(wèi)星，科學出版社，2020）。這一古赤道極光列表為研究蒙德極小期期間太陽活動變化規(guī)律提供了獨特的數(shù)據(jù)庫。
圖1.朝鮮半島極光觀測圖。韓國首爾的古代天文臺用白點表示。粉紅色和青色的圓圈分別表示在400公里和200公里高度首爾的可見范圍。
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所閆麗梅副研究員、何飛研究員、樂新安研究員聯(lián)合北京大學田暉教授、何建森教授、宗秋剛教授、山東大學夏利東教授，通過對古赤道極光數(shù)據(jù)庫的分析研究，證實古赤道極光記錄可以表征太陽活動變化，并發(fā)現(xiàn)蒙德極小期期間太陽活動變化～8年周期占主導，這表明太陽發(fā)電機在超級極小期可能進入了一個獨特的發(fā)電機模式。
圖2給出了古赤道極光與太陽黑子數(shù)的對比。進入蒙德極小期之前的2個太陽活動周，古赤道極光變化與群黑子數(shù)變化一致，群黑子數(shù)的2個周期峰值與古赤道極光記錄的2個周期峰值吻合（圖2a和圖2b），說明古赤道極光變化性可以表征太陽活動變化。1645年進入蒙德極小期之后（1645-1678年），太陽活動變化顯示出4個連續(xù)的肉眼可分辨的～8年周期（圖2c），每個周期可以明確確定。
蒙德極小期期間另一個重要特征是太陽黑子活動嚴重的南北不對稱性（太陽黑子基本局限在南半球）。現(xiàn)代太陽活動的南北不對稱性也有～8-9年的周期性變化。綜合古今觀測證據(jù)，蒙德極小期期間8年周期與現(xiàn)代太陽活動的南北不對稱性可能具有同樣的起源，即太陽偶極場模式（～22年周期）和四極場模式（～13-15年周期）的疊加效應。在非蒙德極小期，偶極場占主導，太陽活動～11年周期占主導，同時太陽活動的南北不對稱性呈現(xiàn)～8年周期。在蒙德極小期期間，偶極場減弱，其強度與四極場相當，會使得太陽活動基本局限在一個半球，同時太陽活動～8年周期占主導。
圖2古赤道極光與太陽黑子數(shù)。（a）群黑子數(shù)（b）古赤道極光記錄（c）蒙德期間古赤道極光記錄（黑色）和黑子數(shù)（紅色）（d）古赤道極光LS歸一化功率譜
該工作提供了在蒙德極小期期間表征太陽活動的一種新的數(shù)據(jù)源，提供了蒙德極小期太陽活動～8年周期的證據(jù)，并確定出肉眼可分辨的4個完整～8年周期。研究結(jié)果為太陽/恒星發(fā)電機理論提供新的重要約束條件，有助于更好的理解太陽/恒星超級極小期的產(chǎn)生機制和更準確的理解蒙德極小期期間的日地關系。
研究成果發(fā)表于國際學術期刊AGU Advances（閆麗梅#，何飛#, 樂新安#, 魏勇*,王譽棋,陳思,范開,田暉,何建森,宗秋剛,夏利東. The eight-year solar cycle during the Maunder Minimum, AGU Advances. 2023. http://dx.doi.org/10.1029/2023AV000964）。本研究受研究所重點部署項目（IGGCAS-201904）、國家自然科學基金（42241106，42074207，42222408，11825301）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會（2021064，Y202027）等資助。