“太阳色球海啸”为什么罕见？山东大学团队最新揭示→

近日，山东大学空间科学攀登团队太阳爆发与射电技术课题组在太阳大气波动研究方面取得新进展，成果以“Why‘solar tsunamis’rarely leave their imprints in the chromosphere”为题发表在美国天文学会学术期刊《天体物理学研究快报》（The Astrophysical Journal Letters）。课题组郑瑞生教授为第一作者和通讯作者，合作者包括课题组陈耀教授等，以及南京大学陈鹏飞教授、北京大学田晖教授、英国谢菲尔德大学Robertus Erdélyi教授等。

图1

作为灾害性空间天气的主要源头，太阳爆发活动经常会扰动太阳大气而产生日冕波动，基于空间卫星可在极紫外（EUV）波段很好地观测，因而常被称为EUV波。日冕EUV波，与发生于地球之上的海啸形似，故也被称为“太阳海啸”（如图1所示）。此类现象携带着爆发物理过程及其传播介质——太阳大气的物理信息，因而相关研究对揭示爆发活动机理、进一步发展冕震学和空间天气预报预警研究均具有重要价值。

图2

目前，已经观测到上千例日冕EUV波事件。根据理论预期，EUV波不仅可以向外冕传播，也会朝向太阳传播并可压缩色球，从而引发“色球海啸”，即一种名为“莫尔顿波”的现象（如图2所示）。“莫尔顿波”是在1960年被美国太阳物理学家Moreton发现的。自发现以来，仅观测到数十个莫尔顿波事件，与大量存在的日冕EUV波现象在数量上形成鲜明“对比”。是什么原因造成如此巨大的数量差异？或者说莫尔顿波如此罕见的原因是什么？这是太阳物理学领域的一个未解之谜。

为了揭开色球莫尔顿波罕见之谜，查阅了2010年以来的所有日冕EUV波及相应的色球莫尔顿波事件，从中挑选出可被太阳动力学天文台（SDO）和日地关系天文台（STEREO）双视角同时观测到的事例，寻找可能解决该谜题的“蛛丝马迹”。我们发现，对于伴有莫尔顿波的EUV波，在其波前底部均存在一段锐利且明亮的区域，而且在源自日冕与色球中间区域即所谓过渡区的304埃谱线上也存在类似波动响应；更令人惊讶的是，这类事件都是由倾斜爆发引起的。

图3

通过仔细分析EUV波锐利波前区域的光变曲线、微分辐射测量、爆发倾斜情况，对比径向而非倾斜爆发事件相应的多波段低层大气响应，提出日冕EUV波可成功激发色球莫尔顿波的关键因素，或许是最为重要的因素之一，是爆发的高度倾斜位形。倾斜角度应高达~70度。高度倾斜可导致EUV波波前“更”强烈压缩太阳低层大气从而激发莫尔顿波（如图3所示）！换句话说，解开色球莫尔顿波罕见之谜的关键线索很可能就在爆发的高度倾斜位形之上。

该研究为回答色球莫尔顿波罕见之谜提供了关键线索，对全面理解“太阳海啸”的激发机制和立体传播有着重要意义。

近年来，空间科学攀登团队太阳爆发与射电技术课题组响应国家系列“空间探日”任务需求，围绕国内首批太阳观测空间卫星——中国氢阿尔法太阳探测卫星（羲和号）和先进天基太阳天文台（夸父一号）的科学目标，在太阳爆发的物理机制、太阳高能粒子加速和射电爆发等方面取得了一系列研究成果。近十年来，郑瑞生教授针对太阳大气波动的观测特征、起源和驱动机制等关键科学问题开展了系统深入研究，在国际上最早开始关注小尺度EUV波性质，也是最早开展日冕EUV波与弱爆发活动之间关系的研究人员，已在Astrophysical Journal Letters，Astrophysical Journal，Astronomy & Astrophysics等国际天文期刊先后发表系列学术论文。

此前，团队郑瑞生教授还在《光明日报》上发表了题为《地球出现绚丽极光，因为太阳的“外衣”“漏”了一个洞？》的文章，为公众进行科普，下面也跟随姗姗一起来看看吧。

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？山东大学的郑瑞生教授为我们作出生动解释。

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，太阳活动周期为11年左右，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。

素材来源 | 山东大学融媒体中心

文 | 郑瑞生

编辑 | 李明峰