科普之窗

地球出现绚丽极光,因为太阳的“外衣”“漏”了一个洞?

冯杰

2023-05-11 02:39

郑瑞生
光明日报( 2023年05月11日 16版)

3月23日,我国风云卫星E星观测到太阳表面突然出现一个巨型“黑洞”;随后,地球上出现了绚丽的极光现象。4月21日,我国风云卫星E星再次观测到太阳南极附近的巨型“黑洞”;4月24日,地球上再次出现绚丽的极光现象。这次极光罕见地在我国新疆维吾尔自治区被观测到。那么,太阳上的“黑洞”是怎么回事?它与地球极光之间又有什么联系呢?

1、太阳的“外衣”

要想知道太阳上的“黑洞”究竟是怎么回事,首先得了解一下太阳的大气层。与地球类似,太阳上也有大气。我们日常肉眼观看(安全前提下)太阳所见到的“圆盘”,就是其大气层底部,称为“光球层”,厚度约500千米。光球对太阳内部的辐射是不透明的,所以我们观测到的太阳可见光辐射主要来自光球。

地面太阳望远镜用氢(太阳上约90%都是氢)阿尔法谱线观测,看到的是太阳光球层上方的色球层,厚度约2000千米。色球层的可见光辐射仅为光球辐射的几千分之一,因而肉眼看不到色球层。色球层再往上,有一个高度动态的薄层,其厚度会随时间和空间迅速变化,称为“过渡区”。过渡区之上,就是太阳大气的最外层,即日冕。

同样,相比于光球的可见光辐射,日冕的白光辐射微乎其微(百万分之一),所以在地面上对日冕的观测,主要集中在日全食时刻。后来科学家发明了人造日食仪器——日冕仪,对日冕的观测就可以随时进行了。借助日全食阶段拍摄的日冕白光照片,我们可以清楚地看到:日冕层物质极其稀疏,非常透明,没有明确的外边界,可以向外一直延伸到行星际空间里。日冕的范围可以延伸到太阳直径的几倍到几十倍,而且是动态的,在太阳活动极大年和极小年,日冕呈现出圆形和椭圆形,就像太阳的“外衣”。日冕是太阳大气与行星际空间关系最密切的部分,像太阳的触手一样可以直接扰动近地空间环境。

日全食阶段,我们从可见光波段观测到的是向外延伸很远的日冕,表现为大尺度的闭合冕环和无限延伸的开放磁力线。那低处日冕的结构如何呢?我们要观测这些日冕结构的底部,也就是扎根在太阳表面的腿部,就需要空间卫星或探空火箭了。因为日冕的主要辐射集中在极紫外和软X射线波段,这些辐射会被地球大气吸收。得益于空间科技的发展,我们现在可以浏览日冕的卫星实时观测图像,而且能看到的细节也越来越多。

2、冕洞,太阳“外衣”上的“黑洞”

在低日冕(日冕底部到0.5个太阳半径高度)的卫星图像上,我们可以看到丰富而复杂的大气结构,比可见光波段的太阳有趣多了。我们看到的明亮区域,也就是活动区。这些活动区由一系列的低冕环聚集而成,是太阳上磁场最密集,存储能量最多的区域。在活动区周围,分布着一些较暗的高冕环,密度相对来说也较低,亮度比较弱,这就是宁静区。除了活动区与宁静区外,低日冕还有一个显著的结构,就是比宁静区更暗,看起来像“黑洞”一样的区域,科学家称之为“冕洞”。

冕洞代表了日冕底部低密度和低温度区域,主要是活动区衰退和扩散的结果。冕洞能够长久地存在于太阳表面,持续时间大概数天到数月,有时候会随着太阳的自转周而复现。另外,冕洞的形状是多种多样的,有大有小,有规则图形也有不规则图案。冕洞主要分布在太阳的南北极区,偶尔也会延伸到低纬区域甚至赤道附近,形成“象鼻”冕洞。

太阳内部无时无刻地进行着核聚反应,产生光和热、释放大量能量,必定会引起日冕的膨胀。科学家发现,整个日冕层会源源不断地向外膨胀扩散,发射出稳定的粒子流,将太阳上的等离子体吹向行星际空间,产生稳定持续的太阳风,所以整个太阳系包括地球都浸泡在持续的背景太阳风中。这些背景太阳风的平均速度为300~500千米/秒,但是观测上经常发现一些速度在500~800千米/秒的高速太阳风。这些高速太阳风的源头在哪儿?

冕洞是开放磁力线集中的区域,这些磁力线一端扎根在太阳表面,另一端则延伸到行星际空间中。由于冕洞区域的密度更低,磁场强度也更弱,于是这里的物质可以更容易地向外逃离。基于美国“天空实验室”上的观测数据,科学家已证实速度在450~850千米/秒的快速太阳风就发源于冕洞之中。所以说,冕洞是高速太阳风的主要源头,就像太阳“外衣”上的“风洞”。没有闭合冕环的束缚,“风洞”吹出来的太阳风速度肯定要更快一些。

3、对抗冕洞太阳风,地球磁场为我们提供保护

高速太阳风携带着大量带电粒子,经过近地空间,会与地球磁场发生相互作用。地球磁场会在短时间内发生剧烈的变化,如果地磁场的变化幅度超过一定数值,就发生了地磁暴。地球磁场,是由中低纬地区的闭合磁力线和高纬地区的开放磁力线组成的,是地球生命的“保护伞”。

太阳风的带电粒子无法穿越闭合磁力线,所以只能沿着开放的磁力线进入到极区上空,并与极区高空大气分子发生撞击。碰撞就会发生能量交换,即原子有可能从基态成为激发态,而激发态是不稳定的,电子容易从高能级变回低能级,这个过程可能就会发生辐射跃迁,表现为释放出光子。高层大气主要成分为氮和氧,这些原子在被激发后,就会释放出红、绿、蓝等不同颜色的光,也就出现了极光。由此可见,极光形成的必备要素包括太阳风(高能带电粒子流)、地球磁场和大气层。

极光是太阳风与地球磁层相互作用产生的一种自然现象。相互作用后,注入到极区的太阳风带电粒子会大幅增加。地球两极地区获得巨大能量,随后将能量传递给高层大气,导致高层大气被加热并向低纬扩散。相应地,低纬度大气也受热膨胀,从而引起低纬地区上方卫星轨道的大气密度增加,会增加卫星运行阻力。

此外,地磁暴还会影响地球短波通信、电网和油气管网等。极光越绚丽,说明太阳风中所携带的高能粒子越强,引起的地磁暴也就越强,对地面通信和航空航天活动的威胁也就越大。

如何应对地磁暴影响呢?最有效的办法就是监测太阳活动,及时预报可能的地磁暴。太阳活动是有规律的,太阳活动具有11年左右的周期,目前正处于第25个太阳活动周的上升期,太阳活动明显增强,剧烈的太阳爆发活动也频繁发生。不过3月份极光与巨型冕洞联系不大,而与3月20日的一次日冕物质抛射有密切联系;4月份的罕见极光,确实是源自4月21日的冕洞高速太阳风和上方耀斑,及伴随日冕物质抛射共同作用产生的特大地磁暴,这也是太阳进入第25太阳活动周以来最强的一次地磁暴。

虽然太阳风和太阳爆发会影响地球,但有地球磁场的保护,有空间天气的监测和预报服务,人类的正常生活还是有保障的,公众无需焦虑。

(作者系山东大学空间科学研究院教授)


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2023-05-11 10:39
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