太陽也愛“發(fā)脾氣”

香江

2024 年1 月1日5 時 55 分，太陽爆發(fā)了一個X5.0 級耀斑，同時伴隨日冕物質(zhì)拋射。這一刻被我國“夸父一號”衛(wèi)星的3 個載荷成功跟蹤和記錄，再次刷新了第25 太陽活動周迄今最大耀斑的紀錄。

耀斑爆發(fā)能量大

太陽是個“暴脾氣”，耀斑是其最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一，發(fā)生在色球?qū)?，所以也叫“色球爆發(fā)”。耀斑一般表現(xiàn)為局部增亮，同時伴隨有一系列高能量現(xiàn)象的發(fā)生，持續(xù)時間從幾分鐘到幾十分鐘不等。一個中等強度的耀斑，可在短暫時間里發(fā)射出從伽馬射線到無線電波段的強大輻射，總能量相當(dāng)于10 億至100 億顆原子彈爆炸，或十萬至百萬次強大火山爆發(fā)釋放的能量總和。耀斑分為A、B、C、M、X 五個級別，其中A為能量最小級別。

太陽黑子并非黑色，它處于太陽大氣最下方的光球?qū)?，蘊含著巨大的能量，溫度也比較高，但是要比其他區(qū)域低，從而在太陽表面形成一個暗區(qū)，是太陽表面可以看到的最突出的現(xiàn)象。太陽黑子實際上是太陽表面一種熾熱氣體的巨大旋渦，溫度大約為4 500℃。太陽黑子的數(shù)量和位置每隔一段時間會發(fā)生周期性變化，從而確定了太陽的活動周期。地球上天氣或氣候反常也與它的活動有密切關(guān)系。

日冕物質(zhì)拋射是太陽系內(nèi)規(guī)模最大、程度最劇烈的能量釋放過程，大多數(shù)都來自活動區(qū)（黑子群與經(jīng)常伴隨的耀斑）。從太陽日冕層拋射出來的物質(zhì)主要是電子和質(zhì)子組成的等離子，還有少量的重元素，如氦、氧和鐵。加上伴隨著的日冕磁場，一次日冕物質(zhì)拋射把1 億到10 億噸物質(zhì)拋射到行星際空間，速度從每秒20 千米到每秒3 200 千米不等，平均速度為每秒489 千米。這意味著日冕物質(zhì)從太陽到地球軌道需要13 小時到86 天不等，平均需要3.5天。日冕物質(zhì)拋射會破壞太陽風(fēng)的流動，抵達地球時擾亂地球磁層。

太陽風(fēng)指太陽持續(xù)發(fā)射的無限粒子流，如電子和質(zhì)子，速度可達每小時900 千米，流動時所產(chǎn)生的效應(yīng)與空氣流動十分相似，所以取名“太陽風(fēng)”。它從太陽表面加熱的日冕層中噴射而出，穿過太陽系空曠的空間，持續(xù)不斷地向外傳播。太陽風(fēng)是太陽活動周期的一個重要指標，當(dāng)太陽表面活動劇烈時，太陽風(fēng)的強度和頻率也會增加。

知識鏈接

太陽從內(nèi)到外主要分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大氣層，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外依次是核反應(yīng)層、輻射層、對流層，太陽大氣層從里到外分為光球?qū)?、色球?qū)?、日冕層。光球?qū)泳褪俏覀兤匠Ｋ吹降奶枅A面，屬太陽大氣層中的最里層，厚度達500 千米。色球?qū)邮蔷o貼光球?qū)拥囊粚哟髿?，厚約8 000 千米，物質(zhì)的密度和壓力要比光球?qū)拥偷枚唷Ｈ彰釋邮翘柎髿獾淖钔鈱?，密度比色球?qū)痈?，而溫度反比色球?qū)痈?，可達上百萬攝氏度，范圍從色球?qū)右恢毖由斓胶脦讉€太陽半徑的地方。

中國衛(wèi)星探日忙

作為距離我們最近的恒星，太陽在超過45億年的時間里，孕育了地球上的天氣、氣候以及我們所依賴的生態(tài)環(huán)境。太陽對人類的影響特別表現(xiàn)在時有發(fā)生的耀斑和日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象上，它們是空間災(zāi)害性天氣的源頭，可能影響空間飛行器的安全甚至地球上的人類生活。因此，對太陽的觀測研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。

通過觀測和研究太陽，我們可以了解一些基本的天體物理過程。地球存在大氣層，觀測太陽會受到干擾，還有一些波段無法穿透大氣層。想要更好地認知太陽，就得發(fā)射衛(wèi)星到天上去看一看，來一個空間探日。

“夸父一號”于2022 年10 月9 日發(fā)射，搭載有全日面矢量磁像儀、萊曼阿爾法太陽望遠鏡和太陽硬X 射線成像儀。它瞄準太陽的“一磁兩暴”（即太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射），研究它們的形成、演化、相互作用和彼此關(guān)聯(lián)，同時為影響人類航天、通信、導(dǎo)航等高科技活動的空間災(zāi)害性天氣預(yù)報提供支持。

一直關(guān)注航天信息的同學(xué)一定聽說過我國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星“羲和號”，它于2021 年10 月14 日成功發(fā)射。同為探日衛(wèi)星，“羲和號”和“夸父一號”有什么不同？

“羲和號”是我國探日工程的“探路者”，實現(xiàn)了國際首次全日面Hα 波段光譜成像觀測。它的高光譜分辨率和高時間分辨率的觀測，可以為太陽光球?qū)雍蜕驅(qū)幼錾疃取癈T 掃描”。作為衛(wèi)星主要的科學(xué)載荷，Hα 成像光譜儀是太陽的專屬“攝影師”。它可在46 秒內(nèi)完成4 600余步全日面掃描，獲得超過1 600 萬個點的光譜信息，并獲得300 余個波長點的太陽圖像。這些光譜潛藏著太陽光球?qū)雍蜕驅(qū)硬煌瑢哟蔚拇髿庑畔ⅰ?/p>

第25 太陽活動周開始于2020 年下半年，將持續(xù)到2031 年前后?！翱涓敢惶枴边x擇在2022 年開啟探日征途，可以記錄下太陽活動由少變多、逐漸活躍直至達到高峰的過程，有利于捕捉到更多的劇烈爆發(fā)現(xiàn)象。目前，太陽活動水平處于高位，太陽黑子日益增多，日面上不斷出現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大黑子群，爆發(fā)頻繁。據(jù)預(yù)測，2024 年將迎來第25 太陽活動周峰年。

地球磁場顯神威

如果把耀斑爆發(fā)看作太陽打了個“噴嚏”，那么地球會因此“感冒”嗎？幸運的是，地球磁場像一把“保護傘”，讓我們賴以生存的家園生機盎然。

地球磁場保護地球上的生物和大氣層免受太陽風(fēng)暴的影響。地球磁場在與太陽風(fēng)相互作用時產(chǎn)生了磁層，起到了屏蔽太陽風(fēng)的作用。太陽風(fēng)中的帶電粒子會被地球磁場引導(dǎo)，形成一個磁層，將高能太陽粒子向南極和北極引流。這些粒子與大氣氣體相互作用，形成美麗的極光。與此同時，這些高能粒子也會被磁場束縛在兩極地區(qū)，不易散逸到地球其他地區(qū)，從而保護了大部分地表避免被電離輻射。

（責(zé)任編輯：陸艷）