地球出現(xiàn)絢麗極光太陽“外衣”“漏”了一個洞？

鄭瑞生

3月23日，我國風云衛(wèi)星E星觀測到太陽表面突然出現(xiàn)一個巨型“黑洞”；隨后，地球上出現(xiàn)了絢麗的極光現(xiàn)象。4月21日，我國風云衛(wèi)星E星再次觀測到太陽南極附近的巨型“黑洞”；4月24日，地球上再次出現(xiàn)絢麗的極光現(xiàn)象。這次極光罕見地在我國新疆維吾爾自治區(qū)被觀測到。那么，太陽上的“黑洞”是怎么回事？它與地球極光之間又有什么聯(lián)系呢？

太陽的“外衣”

要想知道太陽上的“黑洞”究竟是怎么回事，首先得了解一下太陽的大氣層。與地球類似，太陽上也有大氣。我們?nèi)粘Ｈ庋塾^看（安全前提下）太陽所見到的“圓盤”，就是其大氣層底部，稱為“光球?qū)印保穸燃s500千米。光球?qū)μ杻?nèi)部的輻射是不透明的，所以我們觀測到的太陽可見光輻射主要來自光球。

地面太陽望遠鏡用氫（太陽上約90%都是氫）阿爾法譜線觀測，看到的是太陽光球?qū)由戏降纳驅(qū)樱穸燃s2000千米。色球?qū)拥目梢姽廨椛鋬H為光球輻射的幾千分之一，因而肉眼看不到色球?qū)印Ｉ驅(qū)釉偻希幸粋€高度動態(tài)的薄層，其厚度會隨時間和空間迅速變化，稱為“過渡區(qū)”。過渡區(qū)之上，就是太陽大氣的最外層，即日冕。

同樣，相比于光球的可見光輻射，日冕的白光輻射微乎其微（百萬分之一），所以在地面上對日冕的觀測，主要集中在日全食時刻。后來科學(xué)家發(fā)明了人造日食儀器——日冕儀，對日冕的觀測就可以隨時進行了。借助日全食階段拍攝的日冕白光照片，我們可以清楚地看到：日冕層物質(zhì)極其稀疏，非常透明，沒有明確的外邊界，可以向外一直延伸到行星際空間里。日冕的范圍可以延伸到太陽直徑的幾倍到幾十倍，而且是動態(tài)的，在太陽活動極大年和極小年，日冕呈現(xiàn)出圓形和橢圓形，就像太陽的“外衣”。日冕是太陽大氣與行星際空間關(guān)系最密切的部分，像太陽的觸手一樣可以直接擾動近地空間環(huán)境。

日全食階段，我們從可見光波段觀測到的是向外延伸很遠的日冕，表現(xiàn)為大尺度的閉合冕環(huán)和無限延伸的開放磁力線。那低處日冕的結(jié)構(gòu)如何呢？我們要觀測這些日冕結(jié)構(gòu)的底部，也就是扎根在太陽表面的腿部，就需要空間衛(wèi)星或探空火箭了。因為日冕的主要輻射集中在極紫外和軟X射線波段，這些輻射會被地球大氣吸收。得益于空間科技的發(fā)展，我們現(xiàn)在可以瀏覽日冕的衛(wèi)星實時觀測圖像，而且能看到的細節(jié)也越來越多。

太陽“外衣”上的“黑洞”

在低日冕（日冕底部到0.5個太陽半徑高度）的衛(wèi)星圖像上，我們可以看到豐富而復(fù)雜的大氣結(jié)構(gòu)，比可見光波段的太陽有趣多了。我們看到的明亮區(qū)域，也就是活動區(qū)。這些活動區(qū)由一系列的低冕環(huán)聚集而成，是太陽上磁場最密集、存儲能量最多的區(qū)域。在活動區(qū)周圍，分布著一些較暗的高冕環(huán)，密度相對來說也較低，亮度比較弱，這就是寧靜區(qū)。除了活動區(qū)與寧靜區(qū)外，低日冕還有一個顯著的結(jié)構(gòu)，就是比寧靜區(qū)更暗，看起來像“黑洞”一樣的區(qū)域，科學(xué)家稱之為“冕洞”。

在活動區(qū)周圍，分布著一些較暗的高冕環(huán)，密度相對來說也較低，亮度比較弱，這就是寧靜區(qū)。除了活動區(qū)與寧靜區(qū)外，低日冕還有一個顯著的結(jié)構(gòu)，就是比寧靜區(qū)更暗，看起來像“黑洞”一樣的區(qū)域，科學(xué)家稱之為“冕洞”。

冕洞代表了日冕底部低密度和低溫度區(qū)域，主要是活動區(qū)衰退和擴散的結(jié)果。冕洞能夠長久地存在于太陽表面，持續(xù)時間大概數(shù)天到數(shù)月，有時候會隨著太陽的自轉(zhuǎn)周而復(fù)現(xiàn)。另外，冕洞的形狀是多種多樣的，有大有小，有規(guī)則圖形也有不規(guī)則圖案。冕洞主要分布在太陽的南北極區(qū)，偶爾也會延伸到低緯區(qū)域甚至赤道附近，形成“象鼻”冕洞。

太陽內(nèi)部無時無刻不在進行著核聚反應(yīng)，產(chǎn)生光和熱、釋放大量能量，必定會引起日冕的膨脹。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，整個日冕層會源源不斷地向外膨脹擴散，發(fā)射出穩(wěn)定的粒子流，將太陽上的等離子體吹向行星際空間，產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的太陽風，所以整個太陽系包括地球都浸泡在持續(xù)的背景太陽風中。這些背景太陽風的平均速度為300～500千米/秒，但是觀測上經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些速度在500～800千米/秒的高速太陽風。這些高速太陽風的源頭在哪兒？

冕洞是開放磁力線集中的區(qū)域，這些磁力線一端扎根在太陽表面，另一端則延伸到行星際空間中。由于冕洞區(qū)域的密度更低，磁場強度也更弱，于是這里的物質(zhì)可以更容易地向外逃離。基于美國“天空實驗室”上的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家已證實速度在450～850千米/秒的快速太陽風就發(fā)源于冕洞之中。所以說，冕洞是高速太陽風的主要源頭，就像太陽“外衣”上的“風洞”。沒有閉合冕環(huán)的束縛，“風洞”吹出來的太陽風速度肯定要更快一些。

地球磁場提供保護

高速太陽風攜帶著大量帶電粒子，經(jīng)過近地空間，會與地球磁場發(fā)生相互作用。地球磁場會在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈的變化，如果地磁場的變化幅度超過一定數(shù)值，就發(fā)生了地磁暴。地球磁場，是由中低緯地區(qū)的閉合磁力線和高緯地區(qū)的開放磁力線組成的，是地球生命的“保護傘”。

太陽風的帶電粒子無法穿越閉合磁力線，所以只能沿著開放的磁力線進入到極區(qū)上空，并與極區(qū)高空大氣分子發(fā)生撞擊。碰撞就會發(fā)生能量交換，即原子有可能從基態(tài)成為激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，電子容易從高能級變回低能級，這個過程可能就會發(fā)生輻射躍遷，表現(xiàn)為釋放出光子。高層大氣主要成分為氮和氧，這些原子在被激發(fā)后，就會釋放出紅、綠、藍等不同顏色的光，也就出現(xiàn)了極光。由此可見，極光形成的必備要素包括太陽風（高能帶電粒子流）、地球磁場和大氣層。

極光是太陽風與地球磁層相互作用產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。相互作用后，注入到極區(qū)的太陽風帶電粒子會大幅增加。地球兩極地區(qū)獲得巨大能量，隨后將能量傳遞給高層大氣，導(dǎo)致高層大氣被加熱并向低緯擴散。相應(yīng)地，低緯度大氣也受熱膨脹，從而引起低緯地區(qū)上方衛(wèi)星軌道的大氣密度增加，會增加衛(wèi)星運行阻力。

此外，地磁暴還會影響地球短波通信、電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)等。極光越絢麗，說明太陽風中所攜帶的高能粒子越強，引起的地磁暴也就越強，對地面通信和航空航天活動的威脅也就越大。

如何應(yīng)對地磁暴影響呢？最有效的辦法就是監(jiān)測太陽活動，及時預(yù)報可能的地磁暴。太陽活動是有規(guī)律的，太陽活動具有11年左右的周期，目前正處于第25個太陽活動周的上升期，太陽活動明顯增強，劇烈的太陽爆發(fā)活動也頻繁發(fā)生。不過3月份極光與巨型冕洞聯(lián)系不大，而與3月20日的一次日冕物質(zhì)拋射有密切聯(lián)系；4月份的罕見極光，確實是源自4月21日的冕洞高速太陽風和上方耀斑，及伴隨日冕物質(zhì)拋射共同作用產(chǎn)生的特大地磁暴，這也是太陽進入第25個太陽活動周以來最強的一次地磁暴。

雖然太陽風和太陽爆發(fā)會影響地球，但有地球磁場的保護，有空間天氣的監(jiān)測和預(yù)報服務(wù)，人類的正常生活還是有保障的，公眾無需焦慮。

◎ 來源|光明日報