太陽風(fēng)暴來襲——日冕物質(zhì)拋射

舉頭望明日，就想打噴嚏。我們對太陽的存在早已習(xí)以為常。但大概是距離產(chǎn)生美，大伙對太陽的關(guān)注遠(yuǎn)沒有對“宇宙的起源”、“黑洞的形成”熱情?！?012》這樣的好萊塢科幻大片中將人類史上最大一次太陽爆發(fā)和全球毀滅性災(zāi)難關(guān)聯(lián)起來，然而，這是真的么？今天我們就撥開云霧見日明，聊一聊太陽大氣中最重要的爆發(fā)現(xiàn)象之一：日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejections，簡稱 CMEs）。因為如果不了解它的脾氣，雖不至地球毀滅，后果還是蠻嚴(yán)重的。

例如：1989年的CME事件造成了強(qiáng)烈的地磁擾動，導(dǎo)致加拿大魁北克全省近9個小時的大停電，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千萬美元。而當(dāng)時正在工作的“太陽極大期任務(wù)衛(wèi)星（SMM）”在太陽高能粒子轟擊下，其軌道高度直接下降了0.8千米，這直接加速了該衛(wèi)星的墜毀。

所以，加強(qiáng)對CME及其他太陽活動爆發(fā)的研究和監(jiān)測具有極其重要的意義?。?/p>

日冕物質(zhì)拋射與地球磁層相互作用，產(chǎn)生地磁暴和極光 | 圖源：NASA

什么是日冕物質(zhì)拋射？

太陽應(yīng)該屬于“遠(yuǎn)看靜如處子，近看動如脫兔”的典例了，太陽大氣實際非?；钴S。它分為光球、色球、過渡區(qū)和日冕。光球就是我們?nèi)粘Ｉ钪腥庋劭吹降奶柋砻?。它發(fā)出的可見光輻射遠(yuǎn)比其他層次的輻射要強(qiáng)。因此，通常我們完全觀察不到其他層太陽大氣的存在。只有發(fā)生日全食時，日面可見光輻射被月亮遮擋，我們才可以直接看到日冕結(jié)構(gòu)。

2008年8月1日日全食時太陽日冕 | 圖源：Pasachoff et al. 2009

日冕中最劇烈的活動之一就是日冕物質(zhì)拋射。顧名思義，它從日冕中拋射出的大量磁化物質(zhì)。它的爆發(fā)通常攜帶了大量的等離子體，所釋放的能量可達(dá)102?-1032erg，相當(dāng)于幾十億或上百億次核爆炸的能量，同時還會向日地空間拋射超過百億噸的磁化等離子體，其運(yùn)動速度最快能達(dá)到幾千千米每秒。當(dāng)CME向地球方向拋射時，經(jīng)過兩三天的長途跋涉，它將到達(dá)地球。如果CME攜帶南向磁場，將和地球磁場相互作用發(fā)生磁重聯(lián)過程產(chǎn)生地磁擾動和地磁爆，還有肉眼可見的極光。

怎樣才能看到日冕物質(zhì)拋射？

觀測日全食的機(jī)會難得，怎樣才能長時間監(jiān)測CME呢？1930年，法國天文學(xué)家 Bernard Lyot 發(fā)明了第一臺地面日冕儀，其基本設(shè)計是通過擋盤遮住太陽光球的光線，形成如同日全食的效果，然后就可以使人們不需要等待日食的發(fā)生就能在任何晴朗的白天對太陽日冕進(jìn)行直接觀測。第二次世界大戰(zhàn)之后，空間太陽觀測技術(shù)飛速發(fā)展。60年代以后，美國和前蘇聯(lián)開始利用人造衛(wèi)星對太陽進(jìn)行更加多樣化的觀測。CME的第一次清晰觀測來自“軌道太陽天文臺-7（OSO-7）”，隨后一系列的空間探測衛(wèi)星的長期觀測使得CME的研究開始蓬勃發(fā)展起來。高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)顯示，CME經(jīng)常是長這樣的：

可見光日冕儀SOHO/LASCO C3 中的CME及其三分量結(jié)構(gòu) | 圖源：NASA

打開CME觀測新窗口

2022年左右我國首顆太陽探測衛(wèi)星“先進(jìn)天基太陽天文臺”（ ASO-S）將發(fā)射升空，其科學(xué)目標(biāo)就是要揭開太陽爆發(fā)的神秘面紗。衛(wèi)星上將會搭載三個載荷，分別為全日面矢量磁像儀（FMG），硬X射線成像儀（HXI）和萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡（LST）。除了常用的CME可見光觀測，LST打開了一個新的觀測窗口，在紫外萊曼阿爾法波段（121.6nm）獲取全日面和內(nèi)日冕（2.5個太陽半徑之內(nèi)）高時空分辨率的圖像。從可見光和萊曼阿爾法兩個波段上看，CME的長相原來風(fēng)格迥異。

ASO-S衛(wèi)星及模擬的CME可見光和萊曼阿爾法波段觀測 | 圖源：ASO-S和METIS

圍繞CME研究，紫臺LST團(tuán)隊正利用LST的觀測優(yōu)勢，結(jié)合人工智能等新技術(shù)，對CME實行自動識別與跟蹤，深入挖掘CME新的物理本質(zhì)，以期對其進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報，為我們的航空航天通信導(dǎo)航等活動提供預(yù)警保障。

作者簡介

應(yīng)蓓麗：中國科學(xué)院紫金山天文臺”太陽高能及其相關(guān)物理過程團(tuán)組”博士生，LST團(tuán)隊成員，研究方向為日冕物質(zhì)拋射。

撰文：應(yīng)蓓麗

審核：封莉

編輯：王科超