太阳就是个普通的太阳

　　乍一看，太阳不过是由一团热气在自身引力的作用下形成的大火球。离我们最近的傻白甜恒星一枚。年轻的时候，湍流的等离子体承载着他的生命力，翻腾、涌动，把能量发射出去。渐渐地，等老了，心跳不动了，再也抵抗不了自身引力的时候，坍缩、膨胀、辐射，把自身的粒子和能量重新抛射出去。
如果你一层、一层剥开太阳的心

太阳结构示意图（翻译：席子上的汗滴到嘴里 | 图片来源：NASA）

　　太阳核心剧烈的核聚变反应产生能量，以光子的形式从核心辐射出来。在太阳辐射层区域，光子在稠密物质内部经过电子的多次折射与散射，逐渐把聚变的能量从核心区域传到表面。（太阳君这个前戏过程通常持续上百万年，极少的光子才能经过8分钟的高潮驶向地球。）
　　在靠近太阳表面的区域，能量传递主要依靠等离子体间的对流。热的等离子体从对流层底部上升，冷的等离子体从对流层顶部下降，翻涌、摩擦、上下运动，一本正经地完成热量交换（这个时候身边如果有男票女票的话，准备一杯热咖啡，上面加一层冰淇淋。给他/她模拟出对流层区域，轻轻地在耳边说：“靠近凉冰淇淋表面的区域下降、底层热区域上升，再下降、上升、温度差异就可以通过和谐的往复运动解决呢~”）。
　　对于地球来说，空气的对流产生了大气环流和信风带；而在太阳内部，燥热的等离子体对流运动掀起的巨浪，叫做“米粒组织“。

太阳黑子旁边的米粒组织（图片来源：SST太阳望远镜）

　　如果你用望远镜观察太阳（不可以直接通过普通的望远镜看太阳！不想被刺瞎黄金眼请搞滤光器装置，或者直接将太阳通过望远镜的像投射到白屏上哦~），可以看到密密麻麻的不稳定斑点。这些正是光球层上由于等离子体对流而产生的“米粒组织”。
　　带电的等离子体运动会同时产生磁场。磁场本身虽然不可见，不过磁场之间的相互作用会在外面光球层上露出端倪——光球层温度大约5800K左右，而光球层上磁极N、S两端温度只有4240K。相比于高温区域，这些低温区域看起来会暗一些。这正是太阳黑子现象。虽然看起来比周围暗了些，不过，太阳黑子区域的亮度仍比满月时的月亮更亮。

太阳黑子 摄影：Steed

千古谜题——每11年就反转一次的太阳磁极
　　人类对太阳的研究很早，《汉书》中就有记载：西汉河平元年（公元前28年），“三月己末 日出黄 有黑气大如钱 居日中央”。研究了几千年，还是有很多未解的难题，其中最重要的一个，就是与太阳黑子相关的磁场起源与反转问题。
　　太阳磁场每11年反转一次。经观测，太阳类恒星都有类似的磁场反转现象。太阳磁场反转时，对整个太阳系都会产生影响。由于两极磁场会在反转过程中[3] 削弱，更多色球层和日冕层的物质会被喷射出来，地球上受到的太阳辐射也就比正常状态下多一些。这些喷射出来的东西，就叫太阳风。
　　对，就这个太阳风，搞长了彗星的尾巴，还和地球大气层摩擦摩擦产生了极光。如果太阳风来的更猛烈些，连卫星通信（如卫星手机、卫星视讯信号、GPS等）也会受到干扰，打电话时或许会怀疑是不是用了假手机。因此，摸清太阳磁场除了对其他恒星磁场起源有启示作用，也能让我们在“风暴”来临前，早做些准备。
　　然而，直到200年前，人们都还认为，“我们永远没有知道星体的化学成分和矿物结构的任何办法”。
被天体磁场探测方法打脸的一位哲学家
　　we will never know how to study by any means the chemical composition（of stars），or their mineralogical structure.
（我们永远没有知道星体的化学成分和矿物结构的办法）
—Auguste Comte
　　19世纪初，天文学家刚能用视差法测测星距，登陆某颗星采样当然是希望渺茫，于是，法国的这位哲学家简洁的总结了上面这段话。
　　然而，夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）1814年就已经发现了太阳光谱中的吸收线。20世纪初，随着光谱学的发展，星际空间中的分子种类、物理环境、辐射机制，都可以从光谱信息中推测出来。哲学家所断言的“无法获知的信息”可以通过间接的方法获知。通过谱线红移能够确定宇宙正在加速膨胀、光谱信号峰值可以推算星际物质温度、利用谱线分裂程度间接判断恒星磁场强度。
　　下图就是太阳黑子附近的光谱，由于太阳黑子附近的强磁场环境，一条谱线分裂成了三条。天文学家利用这种手段发现太阳黑子附近有很强的磁场。

来自太阳黑子的谱线经过分光镜发生谱线分裂（图片来源：T. Hey and P. Walters | “The Quantum Universe”, Cambridge University Press, 1988）

　　在太阳模拟过程中，需要引入了质量、光度、自转速度、恒星年龄等重要利用各种手段探测出参数，不同恒星因这些基础参数不同，磁场反转周期不同。磁场反转机制比早期发电机理论更加复杂。[4] 

磁场周期性变化与恒星纬度关系图（赤道两端磁场分布具有对称性，时间分布具有周期性，但在240-320年间周期性紊乱）（图片来源：A.Strugarek | 参考文献[1]）

为了解开这个千年谜题
　　来自法国原子能委员会天文部（CEA）、法国国家科学院（CNRS）、巴黎第七大学的科学家尝试通过模型数值模拟，解释太阳磁场反转周期的规律。
　　地球上大气的对流产生了南北信风。如果对流的“大气”是带电的，那“风”就会产生磁场。磁场流露着“大气”躁动的内心，把磁场线发射出去。这就是恒星磁场的起源——恒星内部带电等离子体的对流。
　　正如地球自转产生的科里奥利力会让信风发生偏转一样，恒星上由等离子体对流产生的磁场同样与恒星自身自转速度有些内幕交易！当科里奥利力对太阳这个球下手，太阳内部的等离子体环流运动同样受到一定影响，进而影响等离子体运动产生的磁场。

地球大气环流示意图（图片来源：李建平 | 全球大气环流气候图集, 气象出版社, 2001）

　　科里奥利力对恒星内部等离子体环流运动的影响越大，恒星磁场的反转周期就越短。[8] 这是法国原子能委员会的斯特鲁加里克（A.Strugarek）团队对恒星磁场湍流建立模型得出的模拟结果。模型结果表明，恒星自转影响着内部等离子体的对流运动，恒星磁场反转周期与恒星的自转速率和光度都有关系。（恒星blingbling的向外辐射出可见光和不可见光波段的光，“光度”就用来表征单位时间内恒星辐射能力的量[9] ）。
　　天文学上专门有个叫做“罗斯贝数（Rossby number）”的参数，用来表征系统中科里奥利力起不起作用。罗斯贝数数值较小时系统主要是受科里奥利力影响，而罗斯贝数数值较大时表示系统主要受惯性力及向心力影响。换句话说，恒星磁场反转周期与罗斯贝数成反比关系。
太阳类恒星磁场反转周期有什么规律？
　　斯特鲁加里克团队的研究结果同样可以解释太阳类恒星的磁场反转现象。如下图所示，左图反映了磁场反转周期与恒星自转的比率与罗斯比常数线性相关。右图说明这个比率同恒星自身光度线性相关。这个图的数据来自太阳与太阳类型的恒星。将来也将继续利用这个模型观测分析更多恒星，进一步完善这种磁场起源理论。

磁场反转周期与恒星自转的比率随Rossby number和光度变化趋势（图片来源：A.Strugarek | 参考文献[1]）

　　事实上湍流是力学上最困难的难题之一。要想精确的知道湍流产生运动的规律，就需要分析清楚流体中压强的分布、流体所受的力、流体中热量和物质怎样传播等一系列问题。正如屈原在《天问》中问道：“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”宇宙天体的形成与演化依旧宛若轻撩面纱的曼妙少女，未知且迷人。
参考资料：

• A.Strugarek；P.Beaudoin Reconciling solar and stellar magnetic cycles with nonlinear dynamo simulations
  
• cea the secrets of magnetic circles in sstars
  
• 武际可.音乐中的科学-湍流和声音
  
• Babcock, Horace W.; Babcock, Harold D. The Sun's Magnetic Field, 1952-1954, 1955, ApJ,121, 349