最熟悉的陌生星球-太陽

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來源：創新匯 作者：鄧林華

最熟悉的陌生星球--太陽

文/雲南天文台 鄧林華

太陽是太陽系中的主導星體，也是賦予和延續地球生命的天體。太陽是一顆球對稱和相對穩定的恆星，其在穩定均勻地向四面八方輻射能量的同時，也會伴隨時間較為短暫但釋放巨大能量的爆發事件。太陽磁場結構在太陽表面大氣層中是普遍存在的，並且具有各種不同大小的空間和時間尺度，空間天氣、地磁環境和人類生活均受到太陽活動現象的制約。大尺度的磁場結構存在於黑子活動區和劇烈爆發現象之中，而中小尺度的磁場結構則位於中低層太陽大氣之中。因此，太陽可以看作是以寧靜太陽為主體加上活動太陽為擾動的實體，即輻射能量較大的穩定太陽與輻射功率較小的活動太陽共同構成的星球。

劇烈的太陽活動事件，諸如耀斑爆發、日珥/暗條爆發和日冕物質拋射（CME），常常引發高能粒子暴和等離子體團的快速拋出，其突發性、劇烈性和破壞性嚴重影響了日地空間環境和人類生存與生活，近年來被太陽物理和空間物理學家形象的稱之為太陽風暴。太陽風暴中急劇增加的電磁輻射、高能粒子和磁化等離子體雲在傳播到地球軌道附近過程中的可能影響表現在：電離層的強烈擾動對無線電通信和導航系統產生干擾和破壞，高能粒子輻射損壞衛星的電子器件並危及宇航員的生命，強粒子輻射使對流層和平流層的氣體成分發生變化並影響人類的生存環境，以及太陽耀斑引起的大氣環境變化進而影響氣候過程。

過去500年里發生的最強太陽爆發事件是1859年Carrington和Hodgson觀測到的耀斑爆發事件（史稱卡林頓事件），著名的太陽爆發事件還包括1972年的太陽耀斑與美國電話電報公司之戰、1989年的日冕物質拋射造成的北美大面積停電事件、2000年的法國國慶日事件和2003年超強的萬聖節太陽耀斑事件。如果這類超強太陽風暴發生在在科技水平高度發達的今天，足以使得歐美經濟發達國家倒退到發展中國家的經濟社會水平。所以，太陽物理和空間物理學家將太陽劇烈現象的爆發機制和模式預報作為最重要的一個研究領域。

太陽風暴影響空間環境的示意圖

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太陽大氣中的活動現象

太陽活動是太陽風暴的直接誘發因素，結構複雜的黑子出現在太陽光球層上是產生太陽風暴的徵兆。太陽耀斑、日珥/暗條和CME通常在強太陽風暴中全部出現，而在弱太陽風暴中不一定同時出現。正是由於太陽黑子與這三種現象呈現出高度的時空相關性，所以需要對太陽黑子這一最典型的磁場結構進行細緻的層析觀測和統計研究。

太陽黑子是光球層上出現的具有較低溫度和較強磁場的暗黑區域，其形狀與人眼的瞳孔極為相似，其形成過程是通過磁流浮現[註：磁流浮現是指磁場從太陽內部浮現到表面大氣進而產生各種磁結構的物理過程]來實現的。中心最黑的區域稱作本影，本影周邊的纖維狀區域稱作半影，前者的磁場是接近於垂直的，後者的磁場是略微傾斜的，通常前者的磁場強度要比後者略強。太陽黑子通常是以成群的形式出現，西邊和東邊的黑子分別稱為前導和後隨黑子，兩者的磁場極性是相反的。

當然，只有一種極性的單極性黑子群和具有複雜極性的多極性黑子群也是偶爾存在的。長期觀測表明黑子出現在光球上的頻率可以表徵太陽活動的強弱程度，且與色球和日冕上的活動現象密切相關，但存在幾個月到幾年的相位延遲。如果單純考慮黑子在日面上的數目和面積，將呈現出極具規律性的11年施瓦布周期；如果將黑子的緯度分布與時間演化繪成一幅圖，就會表現出蝴蝶雙翼在穩步的向前飛行的形態。

發育成熟的太陽黑子，本影和半影能夠清晰的分辨出來

太陽耀斑是發生在高層大氣中的劇烈活動現象，是短時間內大量磁場集中釋放的物理過程，具體表現為局部區域突然出現的亮斑閃耀。太陽耀斑通常在複雜活動區的上方爆發，呈現出光彩奪目的炫光效果，級別更高的爆發耀斑會使探測器成像出現飽和效應。

由於太陽的光球輻射本來就非常強，導致絕大部分的耀斑不易在可見光波段觀測到，而是集中在色球和日冕的譜線上。隨著現今太陽儀器的發展和觀測手段的豐富，科學家對太陽耀斑的觀測特徵和爆發機制有了深刻的理解，幾乎所有波段的電磁輻射在耀斑爆發期間都有增強的現象，尤其在X射線、極紫外和射電波段上更為明顯。普遍認為耀斑所釋放的能量來源於日冕中磁場所儲存的能量，磁場能量的突然釋放是誘發耀斑爆發的直接根源。通常來講，活動區黑子和磁場極性越複雜，儲存的磁場能量就越多，相應的產生大耀斑的概率就越大。

太陽邊緣上的耀斑爆發

日珥是指懸掛在日面邊緣上的低溫高密等離子體，明亮的日珥通常有一個或多個足點固定在日面邊緣，其餘部分懸浮在日面上。日珥在日面上的表現形式是暗條，通常是由主軸和兩側的分支組成的，就像一條長長的蚯蚓趴在太陽表面上，高解析度圖像上的暗條是由許多整齊排列的絲狀纖維組成。

一般來講，日珥的穩定是由於日珥物質的重力作用和具有凹陷結構磁力線的磁張力之間的平衡來維持的，由於早期望遠鏡空間解析度的限制導致磁凹陷結構很少被觀測到。早期的理論預言表明磁凹陷具有正常極性和反極性兩種類型，前者存在於纏繞數較少的剪切磁拱，後者存在於纏繞數較多的磁通量繩。暗條的形成涉及到非勢能的儲存和建立，其物質來源的理論模型主要有日冕凝聚模型與直接來源於光球和色球物質兩種類型，越來越多的觀測研究傾向於第二種模型。在此模型中，從光球和色球傳輸到暗條中的物質來源有重連注入、磁熱對流、蒸發-凝聚和懸浮模型四種理論解釋。

太陽邊緣上的日珥

太陽日面上的暗條

CME是太陽高層大氣中最頻繁和最壯觀的大尺度活動現象，是一種在白光日冕儀上表現為物質瞬間拋射的增亮現象。CME是由日冕中高溫稀薄的等離子體物質組成的，在形態上具有前端、暗腔和亮核的三分量結構。

在幾分鐘到幾小時的時間尺度內，CME從日冕層拋射出大量的等離子體團到行星際空間，並最終到達地球的磁層、電離層和大氣層，從而引起地磁暴、電離層暴和極光等地磁擾動。從觀測儀器的特點上來講，白光日冕儀主要用來觀測來自於自由電子對光球輻射的湯姆遜散射輻射，對高日冕的CME結構研究具有較大的優勢，但卻無法獲得CME的低日冕信息。搭載在許多空間衛星上的極紫外觀測終端能夠得到CME在低日冕上的觀測特徵，有助於理解其起源、形成和加速及相關現象的完整物理圖像。CME中的電子在低日冕中通過熱軔致輻射會在米波及更長的波長上產生射電輻射，這可以用來研究CME的演化過程及診斷其物理結構。隨著太陽物理學家對CME的持續關注，對其觸發模型及與耀斑的關係取得了長足的進步。

普遍認為在爆發之前通過各種機制逐漸存儲在日冕之中的能量是CME在爆發過程中釋放能量的直接源泉，而CME和耀斑可看做是磁重聯[註：磁重聯是指由於磁場線的連接性改變從而引起的磁場拓撲重構並釋放出存儲能量的一種物理過程]釋能過程的不同表現形式。

日冕物質拋射的三分量結構：前段、暗腔和亮核

此外，在太陽大氣里還存在冕環（形態上極像地球山崖上的瀑布）、冕洞（日冕中的低溫低密區域）、光斑和譜斑（光球和色球上的明亮精細結構）、埃勒曼炸彈（發生在光球上活動區附近的尺度較小、存在時間較短的增亮事件）、亮點和噴流等眾多磁場結構。

太陽邊緣上的冕環，形態極像地球山崖上的瀑布

日冕層里的低溫低密區域——冕洞

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太陽活動的長周期演化

太陽活動現象的發生幾率呈現為11年的施瓦布周期和22年的太陽磁性周期，磁場活動的演化存在極大年和極小年，相鄰兩個極小年的時間跨度稱為一個太陽活動周。太陽物理學家規定以1755年的極小年開始的太陽活動周作為第1個太陽活動周，而當前的太陽活動演化位於第24太陽活動周的下降相。在太陽活動周的極大年期間，太陽上的活動現象非常活躍，經常伴隨著各種爆發事件的發生；在太陽活動的極小年期間，太陽上的活動事件非常少，但是冕洞（高速太陽風的源頭）和銀河宇宙線卻頻繁的登上太陽活動的舞台。

為了深刻理解太陽活動的內部物理機制和整體演化行為，尤其是發展和約束產生磁場的發電機理論模型，太陽物理學家對黑子面積、暗條數目、耀斑指數、射電流量和強弱磁場的周期演化、半球耦合、緯度漂移和混沌分形等時空演化特徵進行了廣泛而深入的探索。如果將磁活動的浮現緯度作為縱坐標，相應的浮現時間作為橫坐標，就能得到一串呈現蝴蝶雙翼形態的Maunder蝴蝶圖。

太陽磁活動的平均緯度是與太陽活動周的進程密切相關的，兩個半球上的平均緯度分布在活動周伊始大概在赤道附近的30°左右，然後逐步向赤道方向遷移，在活動周極大年和極小年分別處於兩個半球的15°和8°左右。與此同時，在每個活動周的尾期，黑子活動再次出現在高緯度區域，形成大約一年時間裡舊黑子在低緯度和新黑子在高緯度同時出現的壯觀景象。需要注意的是，不同類型的活動現象會表現出不同形式的緯度遷移特徵。例如，通過研究色球上暗條的緯度遷移，發現同時存在赤向遷移和極向漂移。

雖然太陽活動的緯度分布呈現出蝴蝶雙翼的飛行特徵，但是其在時間和空間上並非具有絕對的對稱性和同時性。早在1904年，太陽物理學家Maunder就注意到太陽黑子在南北半球上的分布存在差異性，隨後許多天文學家證實了不同尺度和不同層次的活動現象均存在半球不對稱性和相位不同時性行為。研究表明這兩種演化特徵並不是由隨機起伏造成的，而是具有統計學意義的真實物理現象，其物理機理與發電機理論中的子午環流和較差自轉等磁場轉換過程密切相關。

此外，太陽活動現象的半球耦合程度能夠影響行星際磁場的拓撲結構，並改變日球上電流片的位置及調節宇宙射線流量，因此在行星際空間領域是不可忽視的一種重要現象。

著名的黑子面積蝴蝶圖和時間演化

準確並及時的預報或預警太陽活動和空間天氣，是太陽物理和空間物理領域最重要的科學難題之一。雖然基於太陽耀斑、質子事件和CME的模型是與太陽風暴密切相關的中短期預報的核心內容，但是太陽活動現象的物理預報和預警模式是一個懸而未決的重大難題。當前的第24活動周峰年是近百年來最低的太陽活動周，太陽從2016年6月開始進入無黑子或少黑子的極小年時期，不排除無黑子活動天數是第16太陽活動周以來最多的一個活動周。這一異常的太陽活動周為太陽活動和空間天氣研究帶來了前所未有的機遇和挑戰，考慮到太陽活動現象的世紀周期和千年周期，部分學者得到的活動周極小年的顯著擴展和發電機正在變慢的研究結果是符合物理邏輯的。正因為太陽活動在當前活動周顯著減弱，英國學者瓦倫蒂娜?扎爾科夫教授預測太陽活動在2030年左右降低60%，並指出這將使得地球氣溫大幅度降低，屆時地球將很有可能進入小冰河時期。但是事實上，將太陽活動減弱變相的曲解為太陽即將休眠是不科學和不妥當的，太陽活動的預報結果需要在未來漫長的時期內與觀測數據進行對比驗證，而且這類長期趨勢預報需要根據新的監測數據不斷的修正和完善，許多前期的預測結果是與實際情況大相徑庭的。

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結束語

太陽風暴所驅動的日地空間災害性天氣，會影響人類高新技術系統的運行可靠性, 是人類在現代文明時代面臨的自然災害之一。太陽風暴在物理本質上是儲存在具有強烈扭纏和高度剪切的太陽磁場中的巨大能量的急劇釋放過程，而主導太陽風暴演化規律的是等離子體物理學和磁流體動力學理論。對太陽風暴的產生、發展和傳播過程的機理研究，是推動太陽物理學、空間物理學和地球物理學等基礎研究學科的關鍵和根本。雖然我國太陽物理基礎研究在太陽風暴的觀測和理論研究領域取得了一大批重要的科研成果，但是仍然面臨國際空間觀測飛速發展的嚴峻挑戰。因此，建設大型地基太陽觀測設備和發展重大空間觀測儀器，理解太陽電磁風暴的物理機理和構建太陽活動預報的理論模型，將是我們在太陽爆發活動的層析觀測和統計研究領域不斷追求的科學使命。

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