最熟悉的陌生星球——太阳

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最熟悉的陌生星球--太阳

文/云南天文台 邓林华

太阳是太阳系中的主导星体，也是赋予和延续地球生命的天体。太阳是一颗球对称和相对稳定的恒星，其在稳定均匀地向四面八方辐射能量的同时，也会伴随时间较为短暂但释放巨大能量的爆发事件。太阳磁场结构在太阳表面大气层中是普遍存在的，并且具有各种不同大小的空间和时间尺度，空间天气、地磁环境和人类生活均受到太阳活动现象的制约。大尺度的磁场结构存在于黑子活动区和剧烈爆发现象之中，而中小尺度的磁场结构则位于中低层太阳大气之中。因此，太阳可以看作是以宁静太阳为主体加上活动太阳为扰动的实体，即辐射能量较大的稳定太阳与辐射功率较小的活动太阳共同构成的星球。

剧烈的太阳活动事件，诸如耀斑爆发、日珥/暗条爆发和日冕物质抛射（CME），常常引发高能粒子暴和等离子体团的快速抛出，其突发性、剧烈性和破坏性严重影响了日地空间环境和人类生存与生活，近年来被太阳物理和空间物理学家形象的称之为太阳风暴。太阳风暴中急剧增加的电磁辐射、高能粒子和磁化等离子体云在传播到地球轨道附近过程中的可能影响表现在：电离层的强烈扰动对无线电通信和导航系统产生干扰和破坏，高能粒子辐射损坏卫星的电子器件并危及宇航员的生命，强粒子辐射使对流层和平流层的气体成分发生变化并影响人类的生存环境，以及太阳耀斑引起的大气环境变化进而影响气候过程。

过去500年里发生的最强太阳爆发事件是1859年Carrington和Hodgson观测到的耀斑爆发事件（史称卡林顿事件），著名的太阳爆发事件还包括1972年的太阳耀斑与美国电话电报公司之战、1989年的日冕物质抛射造成的北美大面积停电事件、2000年的法国国庆日事件和2003年超强的万圣节太阳耀斑事件。如果这类超强太阳风暴发生在在科技水平高度发达的今天，足以使得欧美经济发达国家倒退到发展中国家的经济社会水平。所以，太阳物理和空间物理学家将太阳剧烈现象的爆发机制和模式预报作为最重要的一个研究领域。

太阳风暴影响空间环境的示意图

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太阳大气中的活动现象

太阳活动是太阳风暴的直接诱发因素，结构复杂的黑子出现在太阳光球层上是产生太阳风暴的征兆。太阳耀斑、日珥/暗条和CME通常在强太阳风暴中全部出现，而在弱太阳风暴中不一定同时出现。正是由于太阳黑子与这三种现象呈现出高度的时空相关性，所以需要对太阳黑子这一最典型的磁场结构进行细致的层析观测和统计研究。

太阳黑子是光球层上出现的具有较低温度和较强磁场的暗黑区域，其形状与人眼的瞳孔极为相似，其形成过程是通过磁流浮现[注：磁流浮现是指磁场从太阳内部浮现到表面大气进而产生各种磁结构的物理过程]来实现的。中心最黑的区域称作本影，本影周边的纤维状区域称作半影，前者的磁场是接近于垂直的，后者的磁场是略微倾斜的，通常前者的磁场强度要比后者略强。太阳黑子通常是以成群的形式出现，西边和东边的黑子分别称为前导和后随黑子，两者的磁场极性是相反的。

当然，只有一种极性的单极性黑子群和具有复杂极性的多极性黑子群也是偶尔存在的。长期观测表明黑子出现在光球上的频率可以表征太阳活动的强弱程度，且与色球和日冕上的活动现象密切相关，但存在几个月到几年的相位延迟。如果单纯考虑黑子在日面上的数目和面积，将呈现出极具规律性的11年施瓦布周期；如果将黑子的纬度分布与时间演化绘成一幅图，就会表现出蝴蝶双翼在稳步的向前飞行的形态。

发育成熟的太阳黑子，本影和半影能够清晰的分辨出来

太阳耀斑是发生在高层大气中的剧烈活动现象，是短时间内大量磁场集中释放的物理过程，具体表现为局部区域突然出现的亮斑闪耀。太阳耀斑通常在复杂活动区的上方爆发，呈现出光彩夺目的炫光效果，级别更高的爆发耀斑会使探测器成像出现饱和效应。

由于太阳的光球辐射本来就非常强，导致绝大部分的耀斑不易在可见光波段观测到，而是集中在色球和日冕的谱线上。随着现今太阳仪器的发展和观测手段的丰富，科学家对太阳耀斑的观测特征和爆发机制有了深刻的理解，几乎所有波段的电磁辐射在耀斑爆发期间都有增强的现象，尤其在X射线、极紫外和射电波段上更为明显。普遍认为耀斑所释放的能量来源于日冕中磁场所储存的能量，磁场能量的突然释放是诱发耀斑爆发的直接根源。通常来讲，活动区黑子和磁场极性越复杂，储存的磁场能量就越多，相应的产生大耀斑的概率就越大。

太阳边缘上的耀斑爆发

日珥是指悬挂在日面边缘上的低温高密等离子体，明亮的日珥通常有一个或多个足点固定在日面边缘，其余部分悬浮在日面上。日珥在日面上的表现形式是暗条，通常是由主轴和两侧的分支组成的，就像一条长长的蚯蚓趴在太阳表面上，高分辨率图像上的暗条是由许多整齐排列的丝状纤维组成。

一般来讲，日珥的稳定是由于日珥物质的重力作用和具有凹陷结构磁力线的磁张力之间的平衡来维持的，由于早期望远镜空间分辨率的限制导致磁凹陷结构很少被观测到。早期的理论预言表明磁凹陷具有正常极性和反极性两种类型，前者存在于缠绕数较少的剪切磁拱，后者存在于缠绕数较多的磁通量绳。暗条的形成涉及到非势能的储存和建立，其物质来源的理论模型主要有日冕凝聚模型与直接来源于光球和色球物质两种类型，越来越多的观测研究倾向于第二种模型。在此模型中，从光球和色球传输到暗条中的物质来源有重连注入、磁热对流、蒸发-凝聚和悬浮模型四种理论解释。

太阳边缘上的日珥

太阳日面上的暗条

CME是太阳高层大气中最频繁和最壮观的大尺度活动现象，是一种在白光日冕仪上表现为物质瞬间抛射的增亮现象。CME是由日冕中高温稀薄的等离子体物质组成的，在形态上具有前端、暗腔和亮核的三分量结构。

在几分钟到几小时的时间尺度内，CME从日冕层抛射出大量的等离子体团到行星际空间，并最终到达地球的磁层、电离层和大气层，从而引起地磁暴、电离层暴和极光等地磁扰动。从观测仪器的特点上来讲，白光日冕仪主要用来观测来自于自由电子对光球辐射的汤姆逊散射辐射，对高日冕的CME结构研究具有较大的优势，但却无法获得CME的低日冕信息。搭载在许多空间卫星上的极紫外观测终端能够得到CME在低日冕上的观测特征，有助于理解其起源、形成和加速及相关现象的完整物理图像。CME中的电子在低日冕中通过热轫致辐射会在米波及更长的波长上产生射电辐射，这可以用来研究CME的演化过程及诊断其物理结构。随着太阳物理学家对CME的持续关注，对其触发模型及与耀斑的关系取得了长足的进步。

普遍认为在爆发之前通过各种机制逐渐存储在日冕之中的能量是CME在爆发过程中释放能量的直接源泉，而CME和耀斑可看做是磁重联[注：磁重联是指由于磁场线的连接性改变从而引起的磁场拓扑重构并释放出存储能量的一种物理过程]释能过程的不同表现形式。

日冕物质抛射的三分量结构：前段、暗腔和亮核

此外，在太阳大气里还存在冕环（形态上极像地球山崖上的瀑布）、冕洞（日冕中的低温低密区域）、光斑和谱斑（光球和色球上的明亮精细结构）、埃勒曼炸弹（发生在光球上活动区附近的尺度较小、存在时间较短的增亮事件）、亮点和喷流等众多磁场结构。

太阳边缘上的冕环，形态极像地球山崖上的瀑布

日冕层里的低温低密区域——冕洞

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太阳活动的长周期演化

太阳活动现象的发生几率呈现为11年的施瓦布周期和22年的太阳磁性周期，磁场活动的演化存在极大年和极小年，相邻两个极小年的时间跨度称为一个太阳活动周。太阳物理学家规定以1755年的极小年开始的太阳活动周作为第1个太阳活动周，而当前的太阳活动演化位于第24太阳活动周的下降相。在太阳活动周的极大年期间，太阳上的活动现象非常活跃，经常伴随着各种爆发事件的发生；在太阳活动的极小年期间，太阳上的活动事件非常少，但是冕洞（高速太阳风的源头）和银河宇宙线却频繁的登上太阳活动的舞台。

为了深刻理解太阳活动的内部物理机制和整体演化行为，尤其是发展和约束产生磁场的发电机理论模型，太阳物理学家对黑子面积、暗条数目、耀斑指数、射电流量和强弱磁场的周期演化、半球耦合、纬度漂移和混沌分形等时空演化特征进行了广泛而深入的探索。如果将磁活动的浮现纬度作为纵坐标，相应的浮现时间作为横坐标，就能得到一串呈现蝴蝶双翼形态的Maunder蝴蝶图。

太阳磁活动的平均纬度是与太阳活动周的进程密切相关的，两个半球上的平均纬度分布在活动周伊始大概在赤道附近的30°左右，然后逐步向赤道方向迁移，在活动周极大年和极小年分别处于两个半球的15°和8°左右。与此同时，在每个活动周的尾期，黑子活动再次出现在高纬度区域，形成大约一年时间里旧黑子在低纬度和新黑子在高纬度同时出现的壮观景象。需要注意的是，不同类型的活动现象会表现出不同形式的纬度迁移特征。例如，通过研究色球上暗条的纬度迁移，发现同时存在赤向迁移和极向漂移。

SOHO卫星拍摄的一个太阳活动周的完整演化过程

虽然太阳活动的纬度分布呈现出蝴蝶双翼的飞行特征，但是其在时间和空间上并非具有绝对的对称性和同时性。早在1904年，太阳物理学家Maunder就注意到太阳黑子在南北半球上的分布存在差异性，随后许多天文学家证实了不同尺度和不同层次的活动现象均存在半球不对称性和相位不同时性行为。研究表明这两种演化特征并不是由随机起伏造成的，而是具有统计学意义的真实物理现象，其物理机理与发电机理论中的子午环流和较差自转等磁场转换过程密切相关。

此外，太阳活动现象的半球耦合程度能够影响行星际磁场的拓扑结构，并改变日球上电流片的位置及调节宇宙射线流量，因此在行星际空间领域是不可忽视的一种重要现象。

著名的黑子面积蝴蝶图和时间演化

准确并及时的预报或预警太阳活动和空间天气，是太阳物理和空间物理领域最重要的科学难题之一。虽然基于太阳耀斑、质子事件和CME的模型是与太阳风暴密切相关的中短期预报的核心内容，但是太阳活动现象的物理预报和预警模式是一个悬而未决的重大难题。当前的第24活动周峰年是近百年来最低的太阳活动周，太阳从2016年6月开始进入无黑子或少黑子的极小年时期，不排除无黑子活动天数是第16太阳活动周以来最多的一个活动周。这一异常的太阳活动周为太阳活动和空间天气研究带来了前所未有的机遇和挑战，考虑到太阳活动现象的世纪周期和千年周期，部分学者得到的活动周极小年的显著扩展和发电机正在变慢的研究结果是符合物理逻辑的。正因为太阳活动在当前活动周显著减弱，英国学者瓦伦蒂娜·扎尔科夫教授预测太阳活动在2030年左右降低60%，并指出这将使得地球气温大幅度降低，届时地球将很有可能进入小冰河时期。但是事实上，将太阳活动减弱变相的曲解为太阳即将休眠是不科学和不妥当的，太阳活动的预报结果需要在未来漫长的时期内与观测数据进行对比验证，而且这类长期趋势预报需要根据新的监测数据不断的修正和完善，许多前期的预测结果是与实际情况大相径庭的。

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结束语

太阳风暴所驱动的日地空间灾害性天气，会影响人类高新技术系统的运行可靠性, 是人类在现代文明时代面临的自然灾害之一。太阳风暴在物理本质上是储存在具有强烈扭缠和高度剪切的太阳磁场中的巨大能量的急剧释放过程，而主导太阳风暴演化规律的是等离子体物理学和磁流体动力学理论。对太阳风暴的产生、发展和传播过程的机理研究，是推动太阳物理学、空间物理学和地球物理学等基础研究学科的关键和根本。虽然我国太阳物理基础研究在太阳风暴的观测和理论研究领域取得了一大批重要的科研成果，但是仍然面临国际空间观测飞速发展的严峻挑战。因此，建设大型地基太阳观测设备和发展重大空间观测仪器，理解太阳电磁风暴的物理机理和构建太阳活动预报的理论模型，将是我们在太阳爆发活动的层析观测和统计研究领域不断追求的科学使命。