好了，现在可以解释太阳黑子了。前文图2中，我们看到了太阳黑子的美丽图像，但是它究竟是什么呢？

我们可以将这张图分为三个主要部分。首先，有一个暗的、近似圆形的区域，叫作本影，是我们看太阳时可以直接用眼睛看到的黑点（观测时须小心，并采取适当的防护措施）。其次，本影边缘的旋涡叫作半影，在图像中为红棕色，多为线状。这两个词汇是用于解释影子的，并不真的适合描述我们看见的黑子，但是用肉眼和小望远镜观测时，太阳黑子看起来确实像是日食中所见到的或深或浅的影子。最后，还有一个背景区域，包含了大量的金色米粒状结构，被称为“米粒组织”。它们是太阳上没有黑子区域的常见背景，代表了黑子浮现前的普通日面。它们是一种被称为对流的运动形式，常见于气体或者液体被从底部加热时。太阳也许看起来像是固体，但它其实是一个主要由氢和氦组成的巨大的稠密气体球。描述太阳的最佳词汇是流体，这个描述包括了液体、气体和等离子体等可能的状态（等离子体是一种特殊的液体或者气体，其中的电子被从原子中分离出来，使得这种材料可以导电）。

补充说明一点，流体具有有序性。在通常的用法中，流体和液体是同义词。但是从物理的角度看，流体的基本特征是它在压力下会改变形状。水装在容器里，会成为和容器一样的形状，会在引力的作用下，从打翻的容器中流出来，而不是像冰块那样呈块状掉出来。 气体也如此，使用风扇吹气时，旋转的叶片推动气体流出，发生和液体同样类型的变形。气体和等离子体也是流体，就像液体一样可以变形和流动。

我们在太阳表面看到的米粒是流体的流动，像是一锅翻腾的沸水，锅底的水试图将从火焰中吸收的热量传输到水面，然后再将热量释放到空气中。太阳上的情况也类似，驱动太阳的核反应所产生的能量从内部发出，然后通过可见日面释放出去。对流（一种流体运动）是一种高效的转移热量的方式，经常出现在液体和气体中，将物质从热的地方移动到冷的地方。比如说，地球大气层中有大尺度的对流循环，将来自赤道的暖空气向上送到极区，又将极区的冷空气向下送回赤道。因此，就像地球大气一样，太阳不是一个固体，它有多样化的运动，这是流体可以做到但是固体做不到的。

图8 流体下方的热源会将流体局部加热，使其密度变小从而上升，因此引起了向上传输热量的流动。然后这些流体通过横向流动以避开后续的上升流体，随后再冷却和下沉，完成一个热传输循环。

没有太阳黑子时，太阳表面随处可见米粒状的对流图案。黑子是太阳“正常”表面的一处异常区域，不含有这样的米粒组织。这些改变是解释我们在图像中看到了什么的关键。首先，为什么黑子是暗的？细致的测量表明，这是因为黑子比太阳上其他部分更冷。这里说的“更冷”是相对的，黑子的温度通常为3 000〜4 000 K（开尔文），而太阳发光的、布满米粒的表面—光球（photosphere），温度达5 780 K。所以黑子的温度和亮度实际上跟M型矮星这种质量更小、温度更低的恒星一样，比太阳暗很多。随着温度降低，受热物体发出的光量下降得很快，M型矮星个头也比太阳小，两者结合起来看，M型矮星发射的光就少得多。典型的黑子的温度、亮度是光球温度、亮度的五分之一。如果整个太阳表面都是同一个亮度，我们可以看到一个“完美无瑕”的太阳，但是黑子会变成暗红色的。因为眼睛和相机会按照平均亮度水平来“测光”，所以黑子看起来是“黑”的，只是因为和周围相比较暗而已。

然而到这里，还只是解释了一半：黑子是暗的，因为它们（相对的）冷。但是，为什么它们冷？为了回答这个问题，我们需要回到磁场的本质和1820年丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Oersted）的发现。奥斯特是哲学家伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）及其关于统一的自然理念的追随者，也是哲学家弗里德里希·谢林（Friedrich Schelling）的朋友。谢林基于整个自然都应该从单一的基本原理推导出来的理念，成立了一所自然哲学（naturphilosophie）学校。奥斯特对电和磁感兴趣，并且寻求一种能够统一它们的方法。他在一次讲课时，留意到导线中的电流使得附近的磁罗盘偏转，并且罗盘所指的方向与导线方向成直角。他决定追踪这一奇怪的效应。经过详尽的实验，奥斯特确定，通过导线的电流会在垂直于电流方向的平面产生环绕的磁场：想象磁场形成一个同心圆，类似于牛眼的形状，电流就像箭头一样直指牛眼中心。导线中的电流以某种方式对周围空间产生影响，并引导至垂直方向。这一发现将电和磁这两种不同的场的研究结合在一起，激励了其他人去进一步研究，比如安德烈-玛丽·安培（André-Marie Ampère）和后来的迈克尔·法拉第（Michael Faraday），最终发展出了物理学的一个新领域——电磁学。

这些实验室里的发现让我们了解到，电和磁似乎有对称性：带有磁场的磁针会因电流而偏转；如果有电流流经磁场，电流同样也会被磁场偏转，并且被迫环绕磁场。只有电流平行于磁场，而不是试图穿过磁场时，电流的方向才不会被偏转。因此，组成电流的带电粒子更容易沿着磁场而不是穿过磁场运动，并且因为磁场的存在，带电粒子最终会被束缚着沿着磁场方向运动。

不只在太阳大气，甚至在冥王星表面的冰层，我们都可能发现了“对流元胞”存在的迹象。图为新视野号探测器拍摄的冥王星表面。

这就是我们在太阳黑子附近看到的情景。光球和它的对流元胞处于不断的翻腾运动中，热流体上升，像熔岩一样铺展开，然后冷却。就像图8所展示的，（相对）较冷的流体从对流元胞边界处缩回去。当太阳黑子的强磁场侵入冒泡的、具有传导性的光球等离子体时，它会阻碍对流运动，防止热物质越过强磁场束的边界，反而把这股流体转移到未被扰动的、无磁场的周边区域。这种对对流物质自由流动的封锁，抑制了对流携带热量加热太阳表面的能力，导致了更少的热量被输送到磁化区域，使得它比周围区域更冷。因此黑子最终变得更冷，看着更暗。

看看图9，它解释了黑子附近区域的可见日面之下发生的部分事件，尽管我们还不完全理解那里的物理机制。事实上，不管是在太阳黑子的内部，还是它的周围，都有大量的事情发生，包括一大束强磁场，日面正下方的蓝色漏斗状区域显示这里的声速慢，表明温度较低；再下面一点儿，模糊的、分辨率较低的红色区域声速较快，表明温度较高。这列强磁场按箭头方向所指示的那样，形成了翻腾的流体运动的海洋。太阳黑子的出现，如本章开头图片所展示的那样，是由流体的上涌流和侵入的磁场束之间的相互作用所决定的，是这些过程最终达成和解的结果。

图2所显示的区域测量表明，最初在黑子中心的本影中间，磁场束是垂直的，但是当我们把观测点从中心向外移动时，磁场开始减弱并偏离垂直方向。对于较大的黑子，磁场束边缘的一些磁场会突然折回表面，形成虹膜状的黑子半影。本影和半影之间为什么会形成锐利边界，目前尚不清楚，这里有很多我们仍无法完全理解的事情：日面下的磁场束是类似一束扎紧的鲜花，还是分散成大量的小磁场束，像水母的触手又或者是美杜莎的头发与意大利面那样？

无论哪种，当我们向下移动，磁场强度会增加。当我们更加深入太阳内部，太阳的压力不断增大，将磁场挤进更小的横截面中，形成漏斗状结构，这也是太阳黑子比正常日面更冷的原因：热流沿着磁场束向上流动，并在向上运动的过程中展开，这是因为磁场结构在直径上是增长的。因此，热被稀释了，它被分布到了更大的区域里，黑子最终就比周围的无磁场日面具有更低的能量密度。

还有一个小谜团：如果黑子是与典型区域相比有较少功率被辐射出去的地方，这些功率被从强磁场束分散出去了，那一定得有一些地方具有比通常更高的功率被发射。在前面展示的模型中，鉴于从黑子分散出来的能量，应该有一个围绕黑子的亮环存在。然而不管是多么细致和灵敏的测量，都没有观测到这种环。为什么呢？答案似乎是，太阳上的米粒组织携带能量的能力非常高效，不仅仅是在从太阳内部到表面的垂直方向上，同时也在水平方向上，超出的能量被这些冒泡的米粒非常有效地分配了。就在它们冒出来向四周展开的时候，带着热量穿越了黑子周围的大片日面区域。这最终将超出的能量稀释到了很小的水平，让亮环效应小到无法被观测到。

这一章开始于讨论可见的、可以裸眼观测的太阳黑子，按理说，我们应该停留在讨论太阳表面能直接看到的部分。但是，不知怎地，我们也讨论了日面以下的太阳深处发生了什么。我们怎么可以知道无法直接看到的地方发生了什么呢？这将是下一章的话题。

图9 侵入太阳对流区的强磁场束，与太阳表面附近上升和下降的流体运动之间相互作用，从而决定了太阳黑子的复杂动态性。日面正下方的汇聚流有助于将太阳黑子聚集在一起。

法国国家科学研究中心的科学家于2018年发表的太阳黑子周边磁场数值模拟图像。 HvW1Rb9J+rBLQXu+onS56Wz8hhMFA8ZVPMVyU27m7cintpTMhELHc8B4GeY+t7R8