環(huán)形耀斑與日冕變暗有關(guān)？ 太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)彼此關(guān)聯(lián)

在黑暗寒冷的太空中，如果不是“熊熊燃燒”的太陽(yáng)帶來(lái)光和熱，地球?qū)⑹且黄兰拧?/p>

但是，性格暴烈的太陽(yáng)，時(shí)不時(shí)也會(huì)給我們制造一點(diǎn)小麻煩，太陽(yáng)大氣的局部區(qū)域會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量，也就是我們常說(shuō)的太陽(yáng)耀斑。

太陽(yáng)耀斑不僅會(huì)引起其局部區(qū)域瞬時(shí)加熱，還會(huì)向外發(fā)射各種電磁輻射，并伴隨粒子輻射的突然增強(qiáng)，從而影響地球的通信、導(dǎo)航甚至航空航天。

中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究人員與國(guó)內(nèi)同行合作，利用美國(guó)太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)(SDO)衛(wèi)星搭載的大氣成像儀(AIA)和日震磁像儀(HMI)的多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)研究了2015年10月16日在編號(hào)12434的活動(dòng)區(qū)發(fā)生的一個(gè)M級(jí)環(huán)形耀斑，發(fā)現(xiàn)耀斑所在區(qū)域和附近并沒(méi)有明顯的暗化，卻在距離該耀斑約18萬(wàn)千米的寧?kù)o區(qū)出現(xiàn)了遠(yuǎn)端日冕暗化現(xiàn)象。近日，該研究結(jié)果發(fā)表于《天文與天體物理》雜志。

關(guān)于環(huán)形耀斑科學(xué)家知之甚少，而對(duì)于環(huán)形耀斑與日冕暗化關(guān)系的研究也非常欠缺。這兩者同時(shí)出現(xiàn)，引發(fā)了科學(xué)界的關(guān)注。耀斑與其他太陽(yáng)大氣現(xiàn)象之間是否還存在其他關(guān)聯(lián)?日冕區(qū)域暗化意味著什么?大面積暗化區(qū)域物質(zhì)去向哪里?

劇烈的能量釋放過(guò)程

太陽(yáng)看起來(lái)就像一顆刺眼的大火球。天文望遠(yuǎn)鏡誕生后，科學(xué)家們才可以逐漸開(kāi)始研究太陽(yáng)發(fā)出的光，研究太陽(yáng)表面黑子，并在日食期間觀察日冕。

直到1859年，英國(guó)天文愛(ài)好者理查德·卡林頓在觀察太陽(yáng)時(shí)，跟蹤一個(gè)巨大的太陽(yáng)黑子，他觀測(cè)到一個(gè)前所未見(jiàn)的現(xiàn)象：一個(gè)“白光耀斑”，強(qiáng)烈明亮，在整個(gè)黑子中移動(dòng)了大約5分鐘，然后完全消失。

這是人類(lèi)第一次觀測(cè)到太陽(yáng)耀斑。之所以稱(chēng)之為耀斑，是因?yàn)樗鼈兛瓷先ナ且恍┓浅９饬恋膮^(qū)域，其溫度高達(dá)上千萬(wàn)攝氏度，最長(zhǎng)持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。

“太陽(yáng)耀斑是發(fā)生在太陽(yáng)大氣局部區(qū)域，通常是黑子周?chē)顒?dòng)區(qū)的一種劇烈能量釋放過(guò)程，是太陽(yáng)大氣活動(dòng)的重要形式之一。”中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員張擎旻告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

耀斑的能量相當(dāng)驚人，一個(gè)耀斑所釋放的總能量可達(dá)約1022—1025焦耳，相當(dāng)于1.5億至1500億顆廣島原子彈同時(shí)爆炸釋放的能量。耀斑的能量源自太陽(yáng)表面積累的磁場(chǎng)自由能，在短時(shí)間內(nèi)這些能量通過(guò)一種叫做磁場(chǎng)重聯(lián)的機(jī)制快速轉(zhuǎn)換為等離子體的熱能、動(dòng)能以及輻射能，并產(chǎn)生大量高能粒子。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)可以通過(guò)地面和空間的大型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡在射電、紅外、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)，甚至是伽馬射線(xiàn)等全波段觀測(cè)到耀斑。

目前人們觀測(cè)到的、形態(tài)比較規(guī)則的耀斑包括兩類(lèi)，一種是雙帶耀斑，這是最常見(jiàn)、研究最成熟的一類(lèi)耀斑，它們?cè)谔?yáng)低層大氣呈現(xiàn)兩條近似平行的亮帶，在日冕中呈現(xiàn)出拱形熱環(huán);另一種是環(huán)形耀斑，是美國(guó)太陽(yáng)過(guò)渡區(qū)與日冕探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的一種特殊耀斑，通常由一個(gè)圓形或橢圓形亮帶和內(nèi)部致密的亮帶組成。

各類(lèi)活動(dòng)彼此關(guān)聯(lián)

對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，耀斑并不是孤立存在的，太陽(yáng)大氣中的各類(lèi)活動(dòng)彼此之間有著密切聯(lián)系。比如，太陽(yáng)黑子釋放其磁能量時(shí)產(chǎn)生耀斑，而耀斑往往與日冕關(guān)系密切。

統(tǒng)計(jì)研究表明，能量越大的耀斑越容易伴隨太陽(yáng)表面的另外一類(lèi)爆發(fā)活動(dòng)——日冕物質(zhì)拋射(CME)。顧名思義，日冕物質(zhì)拋射就是指日冕在很短的時(shí)間內(nèi)向行星際空間拋射大量磁化等離子體的過(guò)程。這些等離子體的質(zhì)量可達(dá)百億噸，最高速度可達(dá)3000千米/秒。

因此，科學(xué)家將那些伴隨著CME的耀斑，稱(chēng)為爆發(fā)耀斑，沒(méi)有CME伴隨發(fā)生的耀斑稱(chēng)為約束耀斑。這也直觀地體現(xiàn)了耀斑的能量大小。其實(shí)，耀斑和CME都是太陽(yáng)表面最劇烈、能量最高的爆發(fā)活動(dòng)，也是產(chǎn)生災(zāi)害性空間天氣的重要源頭。

耀斑和CME產(chǎn)生的高能輻射以及磁化等離子體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉，到達(dá)地球附近時(shí)，對(duì)地球周?chē)艌?chǎng)及電離層產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)航天器、通信、導(dǎo)航等產(chǎn)生影響。

日冕暗化，也是與太陽(yáng)耀斑爆發(fā)或者CME相關(guān)的另一種大尺度活動(dòng)。

據(jù)觀測(cè)，日冕暗化表現(xiàn)為局部日冕在極紫外和軟X射線(xiàn)波段輻射的快速變暗和緩慢回升，整個(gè)過(guò)程可持續(xù)幾小時(shí)到十幾小時(shí)。日冕暗化的區(qū)域先快速擴(kuò)展然后緩慢收縮，最大面積可達(dá)數(shù)萬(wàn)平方兆米。

“日冕暗化主要是由耀斑和CME導(dǎo)致的密度降低引起的，因此我們可以根據(jù)日冕暗化的光譜變化，大體估算CME帶走的物質(zhì)。”張擎旻介紹說(shuō)。

科學(xué)家認(rèn)為，研究日冕暗化對(duì)于空間天氣預(yù)警和預(yù)報(bào)有一定的指導(dǎo)意義，但目前關(guān)于環(huán)形耀斑與日冕暗化關(guān)系的研究還非常欠缺。

或因區(qū)域物質(zhì)密度降低

在此次研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，耀斑與遠(yuǎn)端日冕暗化區(qū)域由大尺度閉合磁力線(xiàn)相連接，證明二者有著緊密聯(lián)系。

據(jù)專(zhuān)家介紹，這個(gè)遠(yuǎn)端日冕暗化的變化過(guò)程大致分三個(gè)階段：首先，在耀斑硬X射線(xiàn)到達(dá)峰值前數(shù)分鐘，出現(xiàn)微弱的暗化;之后，長(zhǎng)而窄的遠(yuǎn)端日冕暗化發(fā)生了，在幾乎所有極紫外波段都可以觀察到，而耀斑區(qū)域本身并沒(méi)有明顯變化。隨后，大面積的暗化逐步向東南方向延伸，面積緩慢增加，部分暗化區(qū)域最大相對(duì)亮度降低90%;最后，暗化面積逐漸縮小。

通過(guò)估算，整個(gè)演化過(guò)程持續(xù)約8小時(shí)。同時(shí)，這次遠(yuǎn)端日冕暗化的特性，比如面積、亮度、持續(xù)時(shí)間等，與CME引起的暗化很接近。

“這一次的發(fā)現(xiàn)與以往的觀測(cè)都不太一樣，很難用現(xiàn)有理論做出完美解釋。”張擎旻認(rèn)為，遠(yuǎn)方日冕變暗的原因，推測(cè)可能是這些區(qū)域物質(zhì)密度降低，而非溫度變化。

在此之后，科研人員又找到了幾個(gè)類(lèi)似事件，說(shuō)明這種現(xiàn)象并非個(gè)例。

但是，為什么耀斑會(huì)引起太陽(yáng)大氣變化?消失的物質(zhì)又去了哪里?現(xiàn)在還是未解之謎。

無(wú)論是耀斑還是CME，都會(huì)對(duì)地球造成巨大影響。在理查德·卡林頓首次觀測(cè)到耀斑大約18小時(shí)后，地球上出現(xiàn)了有記錄以來(lái)最大的地磁風(fēng)暴;世界各地都觀測(cè)到極光;在古巴、夏威夷等赤道附近區(qū)域，人們將看到的極光稱(chēng)為“綠色窗簾”;電報(bào)機(jī)在斷開(kāi)連接的情況下，因?yàn)楦袘?yīng)電流而引起震動(dòng)。

如果今天發(fā)生這樣的事件，大量電力和電子基礎(chǔ)設(shè)施將遭受毀滅性的打擊，造成損失可能高達(dá)數(shù)萬(wàn)億美元。

想要準(zhǔn)確預(yù)報(bào)并減輕空間天氣事件造成的損害，方法只有一個(gè)——弄清楚太陽(yáng)表面究竟發(fā)生了什么，而這項(xiàng)研究為我們能夠更多地了解這個(gè)脾氣不太好的鄰居，又向前邁進(jìn)了一步。(記者張曄)

關(guān)鍵詞： 環(huán)形耀斑 日冕變暗