1908年，美国天文学家海尔通过证认太阳黑子光谱中的塞曼效应，第一次利用物理学方法测量了黑子磁场，发现太阳是一颗磁星。今天，磁场被证明在太阳活动现象和动力学过程中起着主导性作用：塑造了日冕等离子体的结构、主导了太阳大气的动力学行为、驱动了所有高能现象。在全球尺度，太阳磁场最明显的体现是黑子的11年周期（或者是22年的磁周期）。那么，太阳磁场是如何产生的呢？目前大多数人都同意太阳磁场是通过发电机过程产生的。在发电机模型里，极区磁场是太阳总体的双极磁场的表征，被称为太阳极向磁场。由于较差自转的作用，极区磁场被扭缠成环向场，形成太阳黑子和活动区。受到子午流以及小尺度对流涡旋的影响，黑子和活动区的磁通量向太阳极区迁移，再次形成极向场。由此循环形成太阳黑子的11年周期（也称之为太阳活动周或者太阳周）。按照这一模型，黑子和活动区前导极性的磁通量向低纬度区扩散，南北半球的磁通量在赤道附近相互对消；而后随极性的磁通量向高纬度区迁移，对消原来的极区磁场，在太阳活动极大年附近极区磁场极性反转（如图1所示），为下一个太阳活动周准备新的极向磁场。在太阳活动极小年附近，极区磁通量达到极大，为预测下一个太阳周强度提供了强有力的参数。可见极区磁场是发电机理论中的一个最基本的要素，是太阳黑子和活动区产生的基础。
图1. 1975年-2018年太阳磁场的时间-纬度图，也称之为太阳磁场蝴蝶图。图中，四条垂直实线指出了四个太阳周的开始时间，四条垂直虚线意味着四个太阳周的活动极大年。磁场显示的范围是 ±15 高斯。（图源：Petrie G., 2023）
那么，太阳极区磁场是何时开始发现的呢？20世纪50 年代，Babcock 父子首先对太阳极区开展观测 (Babcock & Babcock 1955)。他们发现，在两极区(绝对纬度大于55 度以上的区域)存在微弱的磁场，而且南北极区磁场极性相反。随后，Babcock & Livingston(1958) 观测到极区磁场在黑子活动极大年附近出现极性反转。难以理解的是，太阳南北两极极性反转并不是同时发生，而是存在1-2年的时间延迟（图1所示）。由于极区磁场每11年左右极性反转一次，只有经过22年，极区的磁场才能恢复到原来的极性状态，成为太阳22年磁周期的一个重要特征（图1所示）。2008年，人们利用Hinode卫星的光谱偏振观测，发现极区磁场存在分离的强磁场结构磁场可高达千高斯(图2所示)。
图2. Hinode卫星2007年3月16日观测的南极视角的太阳磁图，该张磁图通过面积的几何投影改正获取。85度、80度、75度和70度的太阳纬度线通过四个圆来体现。‘+’代表了太阳的南极点。（图源：Tsuneta S., et al. 2008）
太阳极区的平均磁场约为5-10 高斯，与活动区相比，这是非常弱的，整个极区磁场的磁通量甚至比一个大活动区的磁通量还小。在太阳周的大部分时间内，太阳极区磁场表现为大尺度的单极分布，这种大尺度的单极性成就了日冕的大尺度结构，即极区冕洞（图3所示）。与活动区磁场不同，大部分极区磁场并没有被闭合在磁环内，而是延伸到行星际空间，形成开放场，即极区磁场提供了一个行星际平均场，引导了快速太阳风。当高速太阳风与地球磁场碰撞时，便可引发壮观的地球极光。
图3. 2016年5月在极紫外波段观测到的极区冕洞。极紫外线是我们的眼睛看不见的，被地球大气层吸收，只能通过太空中的仪器看到。（图源：NASA/SDO）
事实上，太阳极区磁场的探测是非常困难的。因为对于地球上的观测者来说，极区磁场总是把自己的真实面貌隐藏在南北边缘的狭长投影带内，在那里小尺度的正负极性磁场被挤在一起相互‘抵消’；目前获取太阳磁场的偏振测量精度为连续谱强度的10-4-10-3，即磁场信息只包含在亮度为10-4-10-3的信号内，太阳的临边昏暗效应大大降低了太阳偏振观测的灵敏度，使得极区磁场的测量更加困难；受到极区几何投影的影响，我们观测到的极区纵向场（沿着视线方向的磁场）通常对应着极区的水平场，观测到的横向场（垂直于视线方向的磁场）分量则对应着极区的垂直场。而横向场的测量精度（～100高斯）通常比纵向场的测量精度（～10高斯）低一个数量级，这也就意味着日面中心附近观测到的垂直场比极区垂直场的测量精度要高一个数量级。所有这些使得极区磁场的可靠测量变得非常困难。