在科学家形成理论的最初阶段，由于缺乏对所研究现象的足够了解，通常他们会提出一种基础的模型来开展进一步的研究。这种基础模型是科学家们依据合理的猜测暂时提出来的，虽然不完善，但是至少包含问题最基本的特征。20世纪60年代，科学家们提出了关于太阳活动周期的模型，首先是贺拉斯·巴布科克于1961年提出，紧接着是罗伯特·莱顿于1969年提出，这就是我们通常所说的“巴布科克—莱顿发电机模型”（Babcock-Leighton dynamo model）。这种具有启发意义的发电机模型的最大特点在于，它可以根据观测到的太阳特性来解释太阳活动周期，特别是较差自转（differential rotation）和太阳表面的对流模式。

图21 通过太阳表面的磁图可以发现，在每个半球，产生太阳黑子的强磁场方向基本一致，往往有一个特定的前导极性；本图中黑色表示在北半球的前导极性，白色表示南半球的。南北半球的前导极性是相反的，图中显示的是最近一个活动周期峰年期间（2012年4月20日）的磁图。前后两个11年黑子周期发生极性反转，所以完整的磁周期是22年。

我们用最简单的磁场初始条件作为模型的起点，就像是条形磁铁的磁场一样，磁力线是垂直的，从一极连接到另一极，也叫作“极向磁场”（poloidal field）。在模型中，磁场深入太阳内部，因为较差自转太阳内部旋转比表面要快。太阳内部的那部分磁场要比接近太阳表面的那部分磁场扫过的速度快，最终变成水平分量，如图22所示。这部分磁场环绕太阳水平运动，像圆环一样包围赤道，又称为“环向磁场”（toroidal field）。据此模型，有人提出了一系列步骤来解释太阳活动周期：

1.我们从最简单的磁场开始。竖直方向的条形磁铁可以看作是偶极子，会产生极向磁场，磁场从磁极的顶端浮现，在太阳表面延伸，并到达另一极。磁场会穿过太阳，同时，在赤道附近，太阳内部的快速旋转会拖拽磁场，使其在太阳表面缠绕（图22）。 而太阳对流区底部的剪切层（即差旋层“tachocline”。—译者注）恰恰就是大多数这种拖拽和增强出现的地方。这一步会使得极向磁场转变为环向磁场。

图22 太阳较差自转（左图），赤道比极区转动速度快（右图）。初始的偶极磁场（极向磁场）延伸形成了环绕太阳的环向磁场。

2.当太阳内部的磁场变强时，会产生不稳定性，从而导致磁场像扭曲的橡皮筋上的扭结一样向上爆发。

图23 在太阳自转将极向磁场变成环绕太阳的环向磁场后，磁场变得不稳定，并从太阳内部浮现出来。随着磁场的上浮和膨胀，科里奥利力把环向磁场变回极向磁场，只不过与初始方向相反。

3.太阳结构由内到外，其密度是逐渐降低的。不断升起的磁环穿过这些结构，使得磁场随着不断降低的气压而扩散。由于太阳的自转，磁场在抬升和扩散的过程中会受到科里奥利力（Coriolis force）的作用，类似于地球上的气旋。地球上的气旋之所以能够移动变化，是因为流到低压带的气体和从赤道抬升的气体比高纬度的气体运动速度快；相反地，从高纬度下来的气体比进入的气体速度要慢，结果使气体的流入造成了一个旋转系统。在一个高压系统中，气流沿着相反的方向流出，循环也是沿着相反的方向（图23）。而这恰恰就是太阳上的情形，磁场边抬升边扩散。磁环就是如此，一边抬升，一边缓缓地旋转，以某种倾斜角出现在太阳表面。这种倾斜可以将环向磁场变回极向磁场，只不过与磁周期开始时的方向相反。

图24 “巴布科克—莱顿发电机模型”是基于太阳表面磁场观测，以解释许多与太阳活动周期相关的现象，例如海尔定律、关于黑子倾斜的乔伊定律以及连续两个周期中的磁场极性反转。1961年，巴布科克论文中的一幅图向我们展示了磁场是如何从黑子区域扩散出去，在赤道和极区发生磁对消，最终使得极性反转开始新的周期的。

4.磁场在太阳表面浮现之后，迅速地向外扩散。由于磁场浮现时的倾斜，使得黑子区域的前导极性比后随极性靠近赤道，如此一来，两个半球的前导极性就会在赤道附近相互作用，相互抵消（图24）。巴布科克把浮现磁场的扩散当作观测假设，而莱顿则将其归结为某种机制导致的。在之前的章节中我们提到过，除去小尺度的五分钟纵向振荡，他还发现一种长周期的、大尺度的、细胞状横向运动，并把它称为超米粒组织（图25）。莱顿计算发现超米粒会以随机游走（random walk）的形式打乱表面磁场。随机游走有时又被称为“醉汉行走”（drunkard’s walk），在随机方向上行走，离起始点越来越远。这一过程被称为湍流扩散（turbulent diffusion），会导致类似于太阳黑子附近的磁场聚集区域以一种给定的速率扩散，而这一速率是由“醉汉”步伐的大小和频率决定的，这一速率最终可以匹配我们需要的相反极性磁对消。

图25 现代版的莱顿超米粒组织图。太阳和日球层探测器（SOHO）上的迈克尔逊多普勒成像仪（MDI）合成的多普勒图显示，太阳表面被超米粒组织覆盖着。超米粒组织平行于太阳表面运动，所以在日面中心没有朝向观测者的成分，它们是水平移动的。超米粒从中心向边界水平移动，平均速度约为400米/秒，看上去像是明暗相间的环形山结构覆盖在太阳表面。

5.同样，由于磁场的倾斜，黑子区域的后随极性远离赤道，接近相对应的北极或者南极，并扩散到极点。因为与半球磁场极性相反，黑子会对消磁场并最终导致其极性反转。尽管这听上去似乎难以置信，但是确实被观测到了。图26记录着几个太阳活动周期太阳磁场极性演化，这幅图展示了在每个周期的黑子极大期间，相反极性的磁场从活动区位置向两极移动，并最终反转磁极。

图26 这张四个黑子周期的日面磁图显示了浮现磁场向赤道运动、剩余磁场向两极移动、极区磁场极性反转以及从一个周期到下一个周期的南北半球磁场极性反转。

6.接下来，随着所有磁场极性的反转，黑子周期重新开始。图27展示了在近两个黑子周期中太阳活动的增强和减弱，而两个黑子周期才组成一个完整的磁活动周期。

图27 这幅图显示了20年间的两个黑子活动周期：从1996极小年到2001极大年，再到2009极小年以及最近的2014 / 2015极大年。由极紫外成像望远镜（Extreme ultraviolet Imaging Telescope，EIT）观测得到。 647Ycpv6pAeK+5C0SAOlwJ2aN1aQpG07sLEWJHTAYetLVITpMom1OdscuL9ciC4A