太陽會自轉嗎？

抬頭看見的太陽，像一盞不動的天燈，天天準時升起和落下。但在太空望遠鏡的眼中，太陽其實是一個不停翻滾、旋轉、呼氣與吸氣的巨大火球。它的自轉不只是一個簡單的「轉」，而是牽動黑子週期、日珥噴發、磁暴與極光，甚至影響香港人手機導航、通訊與電力穩定的關鍵節拍。這篇文章想帶你從日常生活的角度，走進「太陽自轉」這門看似抽象、其實很生活化的天文課。

我們為何知道太陽會自轉？

如果你用小望遠鏡（配合合格的太陽濾鏡，注意安全）觀察太陽表面黑子（sunspots），幾天內會發現它們由太陽碟面的左邊慢慢移到右邊。十七世紀的天文學家，就是靠這些黑子在太陽表面的位移，推斷太陽在自轉。現代，我們除了追蹤黑子，還使用都卜勒效應（Doppler effect）量度太陽表面不同區域朝向或遠離地球的速度；甚至利用日震學（helioseismology）分析太陽內部像鐘聲一樣的「聲波」震動，重建其內部不同深度的轉速。多重證據都指向同一事實：太陽不只轉，而且轉得很複雜。

差異自轉：太陽不是「一塊木頭」

地球像一顆固體球體，從赤道到兩極大致以同一角速度自轉；但太陽是氣體與等離子體（plasma）組成的流體天體，沒有堅硬表面。因此，它呈現所謂「差異自轉」（differential rotation）：不同緯度轉速不同。以太陽可見表面（光球，photosphere）為例，赤道一圈大約 25 天轉完；到緯度 60° 位置，大約 30 多天；接近兩極，甚至達 35 天以上。換一個生活比喻：想像一張唱片如果是軟膠做的，中心與邊緣被不同力量拉扯，轉起來就不會整齊一致，太陽就像那張被捏變的唱片。

為什麼會差異自轉？核心原因是太陽外層的對流區（convective zone）充滿翻滾的熱湧流，向上攜帶能量，與自轉結合後，通過「柯氏力」（Coriolis force）與角動量再分配，令赤道區域獲得較多角動量而轉得較快；高緯度因為角動量輸送不同而轉得較慢。這種差異不是表面現象，而是從表面一直延伸到太陽內部的不同深度，只是每個深度的分佈形態會改變。

塔科線：固體般與流體般的邊界

在太陽內部，有一個非常關鍵的層面，叫「塔科線」（tachocline）。它位於輻射區（radiative zone）與對流區之間，深度約為太陽半徑的 0.7 倍。輻射區較接近「固體般」的整體自轉，而對流區顯著差異自轉；塔科線是兩種轉動行為的「剪切」交界。這個剪切區就像河流急彎的水層交界，充滿渦旋與剪切流，被認為是太陽發電機（solar dynamo）的核心場所——磁場在這裡被拉伸、放大與重組，為太陽 11 年黑子週期提供能量來源和節奏。

自轉與黑子：太陽的「年輪」

黑子不是黑色石頭，而是磁場強到抑制對流、令局部溫度較低（仍然超過 3000 K）的區域。若把黑子數量隨時間畫出，會看到大約 11 年上下起伏的週期，稱為太陽活動週期（solar cycle）。自轉在這裡扮演兩個角色：

• 差異自轉把原本較規整的磁力線「扭曲、剪切」，像把橡筋一直拉扯，逐步把北南向（極向）磁場纏成東西向（環向）磁場，增加不穩定性。
• 塔科線與對流湍流共同作用，把磁場「放大」，當磁通量浮出表面，就形成成對的黑子——這就是日面「花紋」的節律。

從地球角度，這些磁活動與自轉帶來的結果，包括日珥（prominences）、日冕物質拋射（CME）與耀斑（flare）。當強烈的帶電粒子撞擊地球磁層，就會引發極光和地磁暴，影響衛星、飛機高頻通訊、導航（GPS）甚至輸電網。香港雖然不在極光帶，但在強烈爆發時，通訊與導航仍可能出現精度下降，這就是太陽「怎樣轉」與我們日常的連結。

太陽不是剛體：從表面到心臟的旋轉剖面

日震學像「超聲波」，讓我們「聽見」太陽內部。根據聲模與表面震動的反演，科學家建立了太陽內部不同深度與緯度的旋轉剖面：

• 對流區：明顯差異自轉，赤道快、高緯慢。
• 塔科線：強剪切層，是磁場「加工廠」。
• 輻射區：接近整體一致角速度自轉，像比較硬的內芯。
• 核心（核反應區）：仍有不確定性，但現有觀測顯示其轉速與輻射區相若或略快，不像早期猜測那樣明顯超快。

這種分層結構，令太陽的磁場得以長期維持與週期性反轉。每 11 年一個黑子週期，但磁場要 22 年才完成一次完整正負反轉（海爾周期，Hale cycle）。

從表面風到太陽風：自轉如何「吹」向全太陽系

太陽外層的日冕（corona）溫度極高，產生持續向外的等離子體流——太陽風（solar wind）。自轉令太陽風在太陽系中畫出一個優美的旋渦圖案：帕克螺旋（Parker spiral）。想像你拿著灑水喉邊轉圈邊噴水，遠處的水絲會被你旋轉拖出彎曲的螺旋線；行星（包括地球）就浸泡在這個巨大螺旋風場裡。螺旋角度與太陽自轉速率、太陽風速度有關。這樣的幾何，不只是好看，更會影響日冕物質拋射在太空中的行進路徑與到達時間，進而決定空間天氣預報的難度。

為什麼太陽自轉會慢下來？

太陽在年輕時自轉更快。恆星形成初期，吸積盤與磁場交互作用、磁剎車（magnetic braking）以及恆星風帶走角動量，令恆星逐漸「減速」。今天的太陽在以極緩慢的速率繼續失去角動量，這樣的過程數十億年來累積顯著，使它從「青春版急轉」變成「中年版穩轉」。這也是為何天文學家可以用恆星的自轉速率，估算它們的年齡——所謂「旋轉年代學」（gyrochronology）。

自轉如何影響太陽的形狀與重力場？

旋轉中的流體天體會被離心力輕微「壓扁」，在赤道略鼓、兩極略扁，稱為扁率（oblateness）。太陽的扁率非常小，肉眼看不出，但精密量度可看見赤道半徑比極半徑大一點點。這些微小差異以及內部質量分佈，會反映在太陽重力場的多極矩（如 J2）上。這些數據對行星軌道長期演化的高精度預報、廣義相對論效應的檢驗，都是重要的基礎。

觀測方法：從地面到太空的「旋轉測速槍」

除了追蹤黑子與都卜勒測速，現代觀測還有：

• 日震學（helioseismology）：由 SOHO/MDI、SDO/HMI 等儀器提供長期的振動模態數據，反演內部自轉。
• 線偏振測量（Zeeman effect）：磁場讓譜線分裂與偏振，結合自轉引起的速度場，可建立磁動力學（MHD）模型。
• 白光與極紫外（EUV）成像：追蹤超顆粒（supergranulation）、日珥、冕洞（coronal holes）等結構的平移與演化，估計表面與低日冕的旋轉速率。
• 日球層探測：Parker Solar Probe、Solar Orbiter 以不同黃經與接近日面的軌道，直接量度太陽風與磁場，反推旋轉對日球結構的影響。

自轉與天氣：與香港的日常有何關係？

對於香港人，自轉本身不會改變今天是否落雨，但它間接塑造了太陽活動的節奏，進而影響空間天氣（space weather）。當活動週期上升期與高峰期，強耀斑與日冕物質拋射較頻繁，可能導致：

• 衛星定位誤差增加：電離層擾動讓 GPS 訊號延遲不穩。
• 高頻通訊受干擾：航空與海事通訊品質下降。
• 輻射風險升高：高緯飛行航線需要評估宇宙線與太陽粒子的劑量。

雖然香港處於低至中緯度，受地磁暴直接影響較小，但在全球供應鏈與航空網絡相互連接的情況下，認識太陽自轉如何調控活動節奏，有助理解為何有時候「全世界的衛星都在一起『不太順』」。

常見誤解：太陽自轉≠太陽每天東升西落

很多人以為太陽每天東升西落就是因為太陽在轉，但那是地球自轉造成的視覺效果。太陽的自轉是我們透過黑子位移、都卜勒測速、日震學等方法分離出來的真正運動。另一個誤解是「太陽像固體一樣轉」，其實它的流體性讓不同緯度、不同深度各有步伐，這種「不齊」恰恰是磁場與活動週期的引擎。

數字感：把時間與速度換成生活刻度

赤道 25 天一圈，聽起來很慢；但別忘了那是一個直徑約 139 萬公里的天體。簡單算一下，太陽赤道周長約 437 萬公里，除以 25 天（約 216 萬秒），得到平均線速度大約每秒 2 公里，類似香港地鐵列車在隧道中的速度量級。不同的是，這列「等離子列車」沒有軌道、沒有車廂，是一整個流體球殼在轉，而且還一邊被磁力拉扯。

科學仍在前沿：我們未解的題目

即使今日，我們仍在追問：

• 核心區的自轉是否隨時間有微變？這與中微子通量、能量輸運是否存在小幅耦合？
• 塔科線的剪切如何精確驅動發電機循環？不同磁流體湍流模型的參數是否能由觀測定標？
• 極區的自轉與磁場翻轉細節：極冠難觀測，Solar Orbiter 嘗試以高緯視角補上缺口。

這些問題的答案，將直接提升我們對空間天氣的預報能力，讓人類社會更有韌性地面對高科技系統的脆弱性。

如何在家安全觀察太陽的「旋轉痕跡」

想親眼見證黑子移動？你需要：

• 合格太陽濾鏡或投影法：決不可直接用肉眼或普通望遠鏡直視太陽。
• 連續多日觀察與簡單繪圖：每天同一時間，畫下黑子相對位置，幾天後你會看見它們的移動軌跡。
• 配合線上資料：如 NASA/SDO 的日面影像，對照你看到的黑子群編號與位置。

這個小小專題，不只安全入門天文，也讓你與一個巨大而有節奏的物理系統連上線。

結語：一顆在轉的恆星，讓我們理解時間與天氣

太陽的自轉之所以「特別」，就在於它不是一個單純的「轉」，而是一個流體天體在重力、磁場與湍流之間的長期角動量對話。差異自轉塑造黑子與活動週期；塔科線為磁場提供「加工」舞台；自轉與太陽風交織成覆蓋全太陽系的帕克螺旋，影響地球的空間天氣。從香港的日常出發，當你拿起手機定位、看衛星雲圖、或閱讀一則極光新聞，背後都有太陽自轉跳動的節拍。理解這顆恆星如何轉動，不只是天文的好奇，更是現代生活的實用知識。