太阳爆发：源动力之谜简析.doc

太阳爆发：源动力之谜 1?不安静的太阳 作为当前唯一一个人类可以详细研究的恒星，太阳不仅是人类的一个天然实验室，也是一个了解其他恒星和宇宙成分的窗口。在我们的眼睛里，太阳似乎永远只是个发亮的圆盘，除了偶尔能看到上面的麻点——太阳黑子之外，再无其他变化。然而在望远镜内，那里却是另一番景象：这里的磁化等离子体无时无刻不在运动变化，它们或喷出，或落下，或震荡，或旋转，形成黑子、暗条、针状体、磁龙卷、冕洞、冕雨、冕环等各种结构。其尺度大都远远超过地球的大小。耀斑和日冕物质抛射(coronalmass ejection，CME)，是这些活动中最剧烈的现象。尽管它们可独立发生，但越来越多的研究表明，两者往往是同一爆发事件的两个方面，其所具有的能量也是相近的，因此常被统一称为“太阳爆发性事件”。传统意义上的耀斑即是指太阳各层大气内被加热而增亮的部分(图1)，?CME则是被加速抛离太阳的部分(图2)。耀斑的特征是，从射电到X射线甚至g?射线的几乎全波段上的辐射全面增强。耀斑发生区的等离子体可被快速加热至几千万度，而电子和质子通常被加速到几百keV?到几十MeV，甚至更高能量。CME可将上百亿吨的等离子体磁云以每秒几百至上千公里的速度抛向行星际空间，成为影响行星磁层和空间天气状况的最主要因素。 图1?一架飞机掠过H-alpha?望远镜中的太阳表面。飞机左侧的亮带是一个活动区内被耀斑所加热的表层大气。图中狭长的暗带是暗条，而活动区内黑色的斑状结构是黑子。 图2 2013?年5?月NASA?太阳动力学天文台(SDO)观测到的一个太阳爆发事件中被抛出的等离子体磁绳 耀斑最早是1859?年在可见光波段于一个大黑子群附近观测到的，被称为白光耀斑。但日面本身的白光辐射很强，只在少数耀斑时才能看到。系统性的观测和研究开始于1930?年。最常用的地面观测手段是利用H-alpha?等谱线和射电辐射等。而紫外线、X射线等由于受到地球大气的吸收而无法在地面接收。20?世纪70?年代以后，基于卫星的空间观测快速发展，目前已成为提供太阳观测资料的主力军。耀斑的定义标准是，引起太阳1—8 ?(1.6—12.4 keV)软X?射线流量增强的事件。根据GOES卫星(the Geostationary OperationalEnvironmental Satellite)所记录的峰值流量的不同可划分为A，B，C，M和X几个级别，其强度以十倍递增。X级耀斑在几十分钟内释放出的总能量可达1025 J，超过上亿颗千万级核弹的总和，而且可引发日震。 同很多其他太阳活动现象一样，太阳爆发多产生于黑子或黑子群周围的太阳活动区内，其发生频率和黑子密切相关。黑子是太阳上的强磁场区，其温度比周围要低，因而相对较暗。它周围的活动区就像漂浮在等离子体海洋里的磁岛，一生经历浮现、发展和消失等过程。其他地方虽然也有结构运动和变化，但因相对平静被称为宁静区。世界公认的最早对太阳黑子的记载出自公元前28?年中国的《汉书·五行志》。由于黑子的出现具有11?年的周期性，太阳活动区和活动现象也呈同周期变化(图3)。即在太阳活动峰年时，会有更多黑子出现，也就会有更多的爆发现象。从1755?年算起的第一周开始，我们现在(2013?年前后)正在经历第24?周的峰年。也正因为这个原因，太阳爆发曾作为元凶之一被卷入了2012?末日论。实际上，我们当前所经历的太阳活动峰年是百年来最弱的一个。 图3?这个图显示了太阳低层日冕在第23?太阳周内由平静到“活跃”然后又恢复平静的变化。 太阳爆发活动确实可以影响人类生活，但非末日论所宣称的。太阳爆发的产物中包括增强的辐射、高能粒子流、等离子体磁云等。其中各个频段上的太阳辐射确实可大幅增强，包括极紫外、高能X射线和g?射线，但由于辐射随距离的平方而减弱，在地球处的辐射(日地距离为1天文单位，约1.5?亿千米)远不如在太阳表面的强度。加上地球大气层的保护，目前认为这种辐射对地面人员和设备的影响并不明显。而高能粒子流和等离子体磁云可影响地球附近的空间环境，产生磁暴，损害大型供电输电设备和卫星仪器，干扰无线电通信和GPS系统。对极地飞行的乘客和太空中的宇航员亦存在潜在威胁。因此有人称，太阳活动是现代人类社会的一种“富贵病”。随着我们的普通生活越来越依赖电能和各种电子仪器，以及航天航空的发展，空间天气研究开始受到各国重视。灾害性空间天气中最著名的一个事例是，1989年3月9日的日冕物质抛射导致3月13日加拿大魁北克的电力网络大规模断电，至少持续了9?小时，有600?万人受到影响。此外，有迹象表明，太阳活动还可能影响天气和气候。不过，好的一面是，这些爆发的磁化等离子体和地球磁场相互作用也会造成梦幻绚丽的极光。 2?太阳爆发和磁重联 耀斑的理论研究随着观测同步发展。虽然出现过多种理论模