在日常的太阳活动预报中，太阳磁场观测数据是重要的研究资料。太阳耀斑等活动现象和黑子群附近磁场之间存在着本质的联系。太阳强磁场区域剧烈的爆发往往伴随着大量的高能辐射和带电粒子流，对宇航安全、短波通讯、近地气象均会产生重要影响。长期以来，太阳磁场一直是太阳研究的主题。如何观测太阳磁场呢？太阳活动区磁场与其活跃程度有怎样的关系？下文将对这些问题进行介绍。
1. 如何观测太阳磁场？
1896 年，荷兰物理学家塞曼发现，将产生原子光谱的光源置于足够强的磁场中，原子光谱线在外磁场的作用下发生了分裂，一条谱线分裂成几条偏振化的谱线，分裂谱线的间距、极化与磁场大小、方向相关，这种现象称为塞曼效应。塞曼效应是继 1845 年法拉第效应和 1875 年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例，被认为是 19 世纪末 20 世纪初物理学最重要的发现之一。1902 年，为了表彰他们对磁光效应研究所作的特殊贡献，塞曼与洛仑兹共同获得了诺贝尔物理学奖。图 1 为钠 D 线在磁场中的塞曼效应，可以看到在磁场条件下 D1 和 D2 谱线分裂为多条偏振谱线。
图1 钠D线在磁场中的塞曼效应
塞曼等人的研究成果为当时的天文学研究带来了福音。由于太阳大气原子对特定频率光谱的吸收，太阳光谱具有一系列特征频率的暗线——夫琅禾费线。借助塞曼效应，研究人员尝试通过分析夫琅禾费线的分裂、偏振情况，推导出谱线源区太阳大气的磁场矢量。1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子中几千高斯的强磁场，它的强度远远高于非活动区磁场，迈出了揭开太阳活动神秘面纱的第一步。如今，太阳磁场观测的主要依据依旧是塞曼效应。起源于太阳光球层的谱线最适用于此类测量，因此光球磁场的测量一般比较精确。高度较高的色球磁场测量精度较差，至于高度更高的日冕磁场，大都只能进行量级估计。实际应用中，我们可以根据光球磁场的测量数据，再在模型假定条件下进行理论外推，构建太阳高层大气的磁场结构。
根据塞曼效应原理，研究人员将光谱仪和偏振计结合在一起制成了能够测量太阳磁场的太阳光谱偏光计——太阳磁像仪。1951年，美国天文学家H.D.巴布科克同其子H.W.巴布科克利用太阳摄谱仪改装成为世界上第一台太阳光电磁像仪。利用这一仪器，父子俩证实了太阳上存在普遍磁场，并在之后的研究中发现太阳磁场极性的周期性变化。
六十年代中期，我国开始研制视频功能的太阳磁场观测仪器，称为太阳磁场望远镜。经过长达二十年的研制过程，这台35cm口径的太阳磁场望远镜于1985年安装于北京天文台怀柔太阳观测站，为太阳物理学家提供了大量世界一流的太阳光球矢量磁场、色球磁场以及速度场数据。同一时期，美国、苏联、澳大利亚和法国也先后研制了类似功能的视频磁象仪。如今，太阳视频磁象仪已经成为当代国际太阳物理研究的重要工具。通过建设在地面或搭载在卫星上的太阳磁像仪，研究人员可以获得太阳局部活动区的磁场和普遍磁场的准实时三维矢量信息。
研制过程，这台35cm口径的太阳磁场望远镜于1985年安装于北京天文台怀柔太阳观测站，为太阳物理学家提供了大量世界一流的太阳光球矢量磁场、色球磁场以及速度场数据。同一时期，美国、苏联、澳大利亚和法国也先后研制了类似功能的视频磁象仪。如今，太阳视频磁象仪已经成为当代国际太阳物理研究的重要工具。通过建设在地面或搭载在卫星上的太阳磁像仪，研究人员可以获得太阳局部活动区的磁场和普遍磁场的准实时三维矢量信息。
图2 北京怀柔太阳观测站的多通道太阳磁场望远镜
图3 北京怀柔太阳观测站的全日面纵向磁图，矩形方框标注出了活动区的大概位置，其中图中右下侧活动区AR2192为24年来面积最大的活动区（2014年10月25日）
图4 通过太阳光球表面磁场分布外推的日冕磁力线分布情况（2015年2月27日）
2、活动区磁场特征及分类
太阳活动区是空间环境预报和研究中重点关注的区域，它是一个从太阳底层到高层大气、以黑子群为中心的活跃区域，是绝大多数太阳爆发活动的发生源区。活动区的爆发现象与太阳局部磁场密切相关。在日常的空间环境预报中，我们常常提到“某活动区磁类型结构为复杂的β-γ-δ型”。实际上，预报员正是根据活动区局部的磁场变化情况，对活动区活跃程度进行判断，从而预报太阳活动水平的。
太阳活动区的中心——黑子群具有很强的磁场，其强度约在1000~4000G之间。一般来说，黑子面积越大磁场也越强。一个黑子群中的黑子往往具有不同的磁场极性，西侧的前导黑子和东侧的后随黑子磁场极性不同的黑子群称为双极群，此外还有具有一种极性的单级群和极性分布复杂的多级群。根据黑子群磁场极性特征，美国加州威尔逊山天文台将活动区的磁类型分为8种情况，如表1所示。日常观测中，半数以上的活动区磁类型为α或β型。面积较大的活动区磁类型一般为β、β-γ或β-γ-δ。一般来讲，具有δ型黑子的活动区比较活跃，磁类型越复杂的活动区越容易爆发较大的X射线耀斑。在太阳活动的预报中，研究人员通过活动区的磁类型分类，结合活动区面积等参数确定活动区的活跃程度及耀斑爆发的概率。
图 5活动区 AR2293 的黑子及磁场图，磁类型为 β-γ（2015 年 3 月 2 日）
综上所述，太阳表面上绝大多数的活动现象(如黑子、耀斑爆发、冕洞、暗条等) 都与太阳磁场密切相关，磁场可以称作太阳的第一物理现象。近几十年来太阳磁场的观测和研究为人类进一步了解太阳提供了大量可贵的资料，然而它的很多问题依旧神秘，人类对赖以生存的太阳的了解还只是冰山一角。随着未来地基、天基太阳磁场观测的发展，我们将更加全面深入的了解太阳磁场以及与其相关的物理过程。
2025-12(4)
