太阳可以说是日地空间环境的主宰，它的一举一动都会影响着空间环境的变化。太阳上常常会出现太阳耀斑和日冕物质的抛射等剧烈活动，给地球磁层、电离层和中高层大气，卫星运行和安全，以及人类健康，带来严重影响和危害，以及通讯损坏。人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气。今天我们就来聊聊太阳上的那些事。
磁重联 magnetic reconnection
在宇宙中，许多能量爆发事件都被认为是磁重联触发产生的，从太阳表面的太阳耀斑和日冕物质抛射现象到近地空间天气现象，例如极光。磁场稳定存在时，磁力线相互平行，不会相互穿越和交叉，但是在某些特殊情况下，磁力线能够被剪断，然后重新联结成一个新的结构。在重新联结成新结构的过程中，磁力线的爆发性回弹会释放巨大的能量，从而加速等离子和高能粒子，让他们在太空中自由驰骋。
行星际磁场 Interplanetarymagnetic field, or IMF
当太阳风以每小时几百里的速度从太阳源区吹出来的时候，它不仅夹带着高能粒子，同时也会拖曳着太阳磁场中的磁力线与它一起在太空遨游，这些磁力线弥漫在太阳系就被称为行星际磁场。当行星际磁场与地磁场存在一定角度的偏斜时，行星际磁场就会与地磁场的磁力线发生磁重联，从而使得太阳风的粒子和能量直接注入地球内磁层。
太阳耀斑 Solar flare
太阳耀斑是太阳大气色球层中局部的突然增量现象，由于耀斑的出现会释放大量的能量，因此也被称作色球爆发。什么机制触发了耀斑到目前为止还没有一个定论，但是它跟太阳磁场的复杂性和磁场联的关系是显而易见的。太阳耀斑爆发的能量相当于几百万颗氢弹，可以说是太阳上最雄壮的爆发现象了。太阳耀斑释放的电磁波以光速传到地球通常只需要8分钟，地球的卫士-大气层吸收了这些来自太阳的辐射，从而保护了我们人类。但是，太阳耀斑也会造成地球上电波通讯的中断，短到几分钟，长到几个小时，它与日冕物质抛射存在某种联系，仍待我们深入研究。
日冕物质抛射Coronal mass ejection or CME
日冕物质抛射是太阳大气中的磁化等离子体由日面向行星际空间抛射的太阳物理现象。日冕物质抛射极易和太阳耀斑现象混淆。太阳耀斑与日冕物质抛射最大的区别就在于是否有物质从太阳表面抛射出来。从这一点我们可以很好地分辨这两个现象。到目前为止，日冕物质抛射形成的机制仍然不是很清楚，但是可以确定的是磁重联过程是这一现象的重要催化剂。一个巨大的日冕物质抛射可以裹挟着一千万吨的物质以每小时几百万公里的速度在太阳系中传播，抛射出来的巨大“磁云”可以扩展到三千万英里的范围，这个尺度整整是太阳大小的35倍。通常在日冕物质抛射三天后就会抵达地球的大气层，在地球上刮起一阵强烈的地磁风暴，引发空间天气效应。
极光Aurora
极光是夜间天空中出现绚丽多姿色彩的一种自然现象。极光现象通常只发生在南北半球的高纬度区域，极光经常出现的区域从天空中看下来呈现椭圆卵形，所以这一区域又被称为极光椭圆带。极光的出现是由于来自太阳风的高能粒子沿着磁力线高速撞击地球大气层，距离地面60到200英里大气层中的氧气和氮气从而获得能量。氧离子等高能粒子的能量急需释放，便由激发态跃迁回基态发出璀璨的光芒，这就形成的大自然的极光之美。
等离子体Plasma
等离子体是由带电粒子组成的一种物质形态，就像气体、液体和固体一样存在于地球上。在地球的磁层、太阳风和太阳大气中都存在着大量的等离子体，所以我们也常常把日地空间称为“等离子体的天然实验室”。等离子体是日地空间中最重要的一种物质存在形式，它与磁场的耦合常常催生出许多重要的物理现象，例如磁重联现象和磁冻结效应。在一定条件下，我们可以通过观察粒子的分布规律反演磁场的位形，也可以通过磁场的条件判断粒子的运动规律。可以说等离子体是空间物理学一个不可分割的重要部分。
磁层顶Magnetopause
磁层顶是作为一种磁层上边界而存在的。最早这个概念提出来是为了区分太阳风磁场（太阳风等离子体）和地磁场。起初，科学家并没有认识到太阳风的存在，简单地认为这个边界是太阳间歇性的微粒流产生的，并不是一直都有，而仅仅是在太阳活动期间一种间歇性的存在。但是对彗尾的分析表明了太阳风的存在，从而证实了磁层顶存在的永久性。
在最简单的近似中，磁层顶认为是一个把真空磁场和等离子区域分开的边界。它由边界层两边的总压力平衡来准确计算，准确的来说就是磁鞘层的压强（主要是太阳风动压）和磁层内压强（主要是磁压）的平衡分界面。磁层顶是封闭的，也就是说没有磁力线的穿越，法向分量为零。磁层顶并不是简单地薄薄一层，里面存在着许多波动和不稳定性，因此对它更深层次的了解仍需深入研究。
磁尾Magetotail
地球磁尾指的是地球磁层背阳面向后面延伸的区域，通常可以延伸到几百个地球半径，这是磁层中一个特别重要的区域。它的发现可就没有磁层顶那么波折了，早在上个世纪60年代，飞行器就证明了磁尾地存在。磁尾就像是一个等离子体和能量的仓库，在磁层亚暴的过程中，能量和粒子正是通过磁尾的一系列物理过程，被不断地注入到内磁层。
磁尾由尾瓣和等离子片组成，等离子体片是一个热等离子体聚集的区域，正是这个区域将南北两极磁场不同的两个尾瓣分开。磁尾的磁力线都是一端连着地球两极的开放磁力线，具有非常好的性质，可以认为磁力线即是等势线，这样我们就可以通过观测电离层极盖区参数的变化了解磁尾的相关性质了。
磁暴Geomagnetic storm
磁暴是地磁场较大的扰动现象。磁暴常常发生在来自太阳的巨大能量与地磁系统相互耦合的过程中，例如日冕物质抛射或者高速太阳风传播到地球附近时。在磁层内部，当磁力线出现反向平行分量时，就会发生磁重联，磁重联能够将粒子和能量注入内磁层，从而影响地磁活动。强磁暴会影响电波通讯信号，造成供电网络内电流意想不到的激增。磁暴同样也可以分为初相、主相和恢复相三个时期。初相时期，太阳风的动压使得磁层顶不断被压缩，磁层顶电流加大，地面磁场出现短暂增强现象。一段时间过后，磁场出现下降，下降时还伴随有强烈扰动，就这是磁暴的主相，在主相期间常常还会发生多次亚暴。此外，磁暴的主相常常伴随着各种极光和地磁效应。最后在磁暴的恢复相，各项指标恢复到暴前水平。磁暴持续的事件一般比亚暴要长。
磁层亚暴Substorm
磁层亚暴是地磁场的短暂扰动现象，通常持续2~3个小时，由成长相、膨胀相和恢复相组成。当行星际磁场出现南向分量时，行星际磁场会在向阳面磁层顶与地磁场发生重联，使得太阳风的能量向磁层内部传输，部分能量传输到了磁层结构的磁尾中，这个过程构成了亚暴的第一相-成长相。在随后的膨胀相中，储存在磁尾中的能量将以激烈的方式耗散。这时内磁层的磁力线从尾状位形变为近似偶极场位形，磁场的偶极化过程中磁尾等离子体片的粒子加速并注入内磁层。这时等离子体片变薄，越尾电流减弱。到了恢复相，磁层又重新回到平静状态。一般来说，在磁暴期间，亚暴发生的更加频繁、剧烈，但是到目前为止，磁暴与亚暴的相互关系仍具有争议。
来源：中国科学院国家空间科学中心
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