万物生长靠太阳。作为太阳系中唯一的恒星，太阳对地球和行星施加了广泛而深刻的影响。两百年来，太阳活动的周期性变化一直是自然科学各领域关注的焦点，11年周期也早已为人熟知。近期，中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队通过对古赤道极光数据库的分析研究，证实了古赤道极光记录可以表征太阳活动变化，并发现蒙德极小期期间太阳活动变化具有约为8年的周期性。这一发现为太阳/恒星发电机理论提供了新的重要约束条件，有助于更好地理解太阳/恒星超级极小期的产生机制和更准确地理解蒙德极小期期间的日地关系。
太阳上时刻发生着不同类型的活动现象，包括太阳黑子、喷流、耀斑、日珥和日冕物质抛射等现象。太阳活动的变化取决于太阳发电机过程。太阳活动的总体水平有大约11年的周期变化，称之为太阳活动周。太阳有时也会进入持续几十年的异常弱的太阳活动时期，称之为超级极小期（grand minimum）。这种异常弱的超级极小期并非太阳独有，在其他恒星上已发现类似太阳活动超级极小期的异常时期。
发生在1645年至1715年之间的蒙德极小期，通常被视为太阳/恒星活动超级极小期的典型例子。由于蒙德极小期在时间上与欧洲的小冰期重合，常被认为其对小冰期可能具有潜在的显著影响。蒙德极小期期间的太阳活动规律是理解太阳/恒星发电机和超级极小期产生机制的关键，也是理解太阳活动超级极小期期间日地关系的关键。目前常用的表征太阳活动水平的指标，包括太阳黑子数、极区极光、宇宙同位素反演的太阳活动指数等，在蒙德极小期都骤降至极低水平，难以确认太阳活动周期的存在以及存在状态。因此，学术界一直在寻求新的独立指标去揭示蒙德极小期的太阳活动变化规律。
中国科学院地质与地球物理研究所魏勇研究员提出赤道极光可以作为反映太阳活动水平的新指标。地球上的极光有两类，除了人们熟知的极区极光，还有一类发生在低纬地磁负异常区的赤道极光。赤道极光与太阳活动周期有关，在太阳活动频繁的时期发生的频率更高。蒙德极小期期间，在西太平洋区域出现了一个地磁场负磁异常区,创造了赤道极光产生的条件，为研究蒙德极小期太阳活动变化规律提供了契机（何飞等-PNAS：古代赤道极光揭示西太平洋磁异常演化http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202105/t20210511_6011829.html）。古代中国、朝鲜和日本都在赤道极光的可视范围内（图1），在古籍中留下了大量的赤道极光的记载。魏勇研究员带领团队对朝鲜半岛的正史进行了系统的整理，共发掘出公元1012-1811年期间的2013条极光记录，相关古籍记录已整理出版专著《古代朝鲜极光年表》（魏勇和万卫星，科学出版社，2020）。这一古赤道极光列表为研究蒙德极小期期间太阳活动变化规律提供了独特的数据库。
图1.朝鲜半岛极光观测图。韩国首尔的古代天文台用白点表示。粉红色和青色的圆圈分别表示在400公里和200公里高度首尔的可见范围。
中国科学院地质与地球物理研究所闫丽梅副研究员、何飞研究员、乐新安研究员联合北京大学田晖教授、何建森教授、宗秋刚教授、山东大学夏利东教授，通过对古赤道极光数据库的分析研究，证实古赤道极光记录可以表征太阳活动变化，并发现蒙德极小期期间太阳活动变化～8年周期占主导，这表明太阳发电机在超级极小期可能进入了一个独特的发电机模式。
图2给出了古赤道极光与太阳黑子数的对比。进入蒙德极小期之前的2个太阳活动周，古赤道极光变化与群黑子数变化一致，群黑子数的2个周期峰值与古赤道极光记录的2个周期峰值吻合（图2a和图2b），说明古赤道极光变化性可以表征太阳活动变化。1645年进入蒙德极小期之后（1645-1678年），太阳活动变化显示出4个连续的肉眼可分辨的～8年周期（图2c），每个周期可以明确确定。
蒙德极小期期间另一个重要特征是太阳黑子活动严重的南北不对称性（太阳黑子基本局限在南半球）。现代太阳活动的南北不对称性也有～8-9年的周期性变化。综合古今观测证据，蒙德极小期期间8年周期与现代太阳活动的南北不对称性可能具有同样的起源，即太阳偶极场模式（～22年周期）和四极场模式（～13-15年周期）的叠加效应。在非蒙德极小期，偶极场占主导，太阳活动～11年周期占主导，同时太阳活动的南北不对称性呈现～8年周期。在蒙德极小期期间，偶极场减弱，其强度与四极场相当，会使得太阳活动基本局限在一个半球，同时太阳活动～8年周期占主导。
图2古赤道极光与太阳黑子数。（a）群黑子数（b）古赤道极光记录（c）蒙德期间古赤道极光记录（黑色）和黑子数（红色）（d）古赤道极光LS归一化功率谱
该工作提供了在蒙德极小期期间表征太阳活动的一种新的数据源，提供了蒙德极小期太阳活动～8年周期的证据，并确定出肉眼可分辨的4个完整～8年周期。研究结果为太阳/恒星发电机理论提供新的重要约束条件，有助于更好的理解太阳/恒星超级极小期的产生机制和更准确的理解蒙德极小期期间的日地关系。
研究成果发表于国际学术期刊AGU Advances（闫丽梅#，何飞#, 乐新安#, 魏勇*,王誉棋,陈思,范开,田晖,何建森,宗秋刚,夏利东. The eight-year solar cycle during the Maunder Minimum, AGU Advances. 2023. http://dx.doi.org/10.1029/2023AV000964）。本研究受研究所重点部署项目（IGGCAS-201904）、国家自然科学基金（42241106，42074207，42222408，11825301）、中国科学院青年创新促进会（2021064，Y202027）等资助。