本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文
作者：文/虞子期
在銀河系中，有數十億顆像太陽一樣的恆星散落，地球之外的空間並非完全空洞，正如我們生活在太陽的擴展氛圍中。太陽與地球之間相互作用，驅動了季節、洋流，輻射帶和極光等現象的產生。從最大的行星，到軌道上最小的碎片顆粒，太陽的引力將太陽系固定在一起，其表面和大氣也處於不斷變化的狀態。其廣泛、動態的太陽大氣，環繞著地球和其他行星，並且延伸到整個太陽系之中。科學家門通過觀察整個太陽系中能量和粒子的流動情況，以解開恆星對在地球上生活的我們可能造成的各種影響。
是什麼導致了太陽的不斷變化
太陽釋放能量的方式有兩種，一種就是我們常見的光線，在照射地球時使生命成為可能； 而另一種則表現得更加暴力，它會發出光線、粒子和磁場的爆發，以產生波紋效應，一直到太陽系的磁邊。從幾毫秒內發生的微小變化，到持續數小時或數天的太陽火山爆發，再到27天的旋轉，在每個時間尺度上，太陽的活動和條件幾乎都有所不同。太陽磁場每22年左右就會完全改變方向並返回，這便是導致太陽活動周期大約為11年的緣由，隨著磁場變得更加複雜，它會隨之在太陽表面附近釋放能量。
這些太陽爆炸，可以表現為太陽耀斑或日冕物質拋射的形式，甚至光速般地從太陽中衝出快速帶電粒子的釋放。下圖便是在整個太陽周期的過程中，即太陽活動持續的11年中，大約每年一次顯示的「極紫外波長」狀況。對我們的眼睛而言，這種類型的光通常都是不可見的，但在這裡以綠色著色。隨著太陽周期向太陽最小角度傾斜，明亮的活動區域會變得越來越小，而活躍區域是大多數太陽爆發的來源，這意味著太陽活動和活動區域的數量都呈現出下降趨勢。然後，隨著活動周期的回升，這些明亮的活動區域又越來越多地覆蓋太陽的面部，太陽活動隨之開始變得越來越頻繁。
太陽的扭轉磁場，由帶電材料的運動引起，被科學家們稱為等離子體，從幾毫秒到數十億年，正是它導致了太陽在時間尺度上的不斷變化。巨大的太陽火山爆發可持續數分鐘至數小時，如太陽耀斑和日冕物質拋射，太陽的磁極大約每11年翻轉一次，我們看到太陽黑子用數周的時間在其表面形成、生長和消失。幾千年來，在任何給定時間，已知太陽的總能量輸出都會發生變化。而生活在這顆恆星的擴展大氣層中的我們，則更加需要了解驅動這種變化的原因。更重要的是，有關太陽能力的知識，有助於科學家們創建更好的模型，以預測它可能傳遞給我們輻射和能量的方式。
太陽具有獨特的結構體構造
太陽的巨大質量通過引力吸引在一起，並產生了巨大的壓力和溫度。太陽和許多其他行星一樣，也是一個氣體星球。就原子數這個角度而言，它由91.0％的氫和8.9％的氦組成。如果按質量來劃分，太陽的氫含量約為70.6％，氦含量約為27.4％。太陽有六個區域，它們分別是核心、輻射區、內部的對流區、光球、色球，以及最外面的日冕區域。核心溫度大約為1500萬攝氏度，這樣的溫度足以維持熱核聚變。這是一個原子結合形成較大原子，並在該過程中釋放出驚人能量的過程，具體來說，在太陽的核心，氫原子融合成氦，核心產生的能量為太陽提供能量，並產生太陽發出所需要的熱量和光。
太陽的光球體是一個500公裡厚的區域，大部分輻射都向外逃逸，這不是一個像其他行星那樣的堅固表面。光球層的上方是脆弱的色球層和日冕（冠），它們一起構成了薄薄的太陽大氣層，這也是我們看到太陽黑子和太陽耀斑等功能的地方。太陽釋放出恆定的粒子和磁場，被稱為太陽風。這種太陽風在太陽系中肆虐太陽系統的粒子和輻射 ，若沒有受到大氣、磁場或兩者的阻礙，它們可以一直流向行星表面。太陽本身不是一個生物寄存的好地方，因其充滿了熱量，充滿活力的氣體和等離子體。但太陽卻使地球上的生命成為可能，提供了植物等有機體用來形成食物鏈基礎的溫暖和能量。
太陽磁層和地球磁層的關聯
太陽的磁場由太陽風通過太陽系進行，從太陽向周圍散播帶電的氣體流，再加上太陽的旋轉，磁場隨之旋轉成一個大的旋轉螺旋，科學家們稱之為帕克螺旋。太陽中的電流所產生複雜的磁場，會延伸到太空以形成行星際磁場，而由太陽磁場控制的空間體積稱為日光層，在太陽周期階段中，太陽的光球、色球和日冕經歷了從寧靜到劇烈活動的變化。太陽磁場的不規則性，引起了大量的能量和粒子釋放，而其中一些甚至還能夠傳播到地球上。磁層是圍繞地球的磁場氣泡，由地球的自然所磁性產生，磁層的存在，保護了地球上的我們免受來自太陽的入射能量的影響，但太陽的能量依然會根據這樣的空間天氣，來改變自己的形狀和大小，而這些波動會降低通信信號，甚至是致電網中出現意外的電湧。
太陽發出恆定的帶電粒子流，即太陽風，在被星際介質阻擋之前，它最終會穿過所有的行星，並向冥王星延伸三倍。這會導致太陽及其行星周圍形成一個巨大的泡沫，也就是所謂的日光層。而電離層是地球大氣層中的一層，從地球表面上方約50至300英裡處延伸，該層填充有帶電粒子，並與中間層和熱層的中性粒子重疊。電離層對來自太陽的入射物質很敏感，因此它可以對空間天氣做出顯著反應。由於電離層是低地球軌道太空飛行器的所在地，以及無線電通信所通過的空間區域，因此該地區的意外變化，可對人類技術產生巨大影響。
太空天氣對人類有哪些影響
若一個行星來要孵化生命，需要的不僅僅是和太陽保持正確的距離。通過將近地空間和太空系統中的空間環境觀測，與日益複雜的計算機模擬相結合，科學家們對太陽物理學研究的重點是放在繪製出太空環境的細節。空間並不是空的，不管是地球周圍的空間，還是行星之間的空間、又或是恆星之間的空間，它們與我們在地球上經常遇到的環境都大不相同，但它們遠非平靜的狀態。這是一個複雜的系統，其中的電流產生磁場，反之亦然，而空間輻射在巨大的風中流動，粒子幾乎可以加速到光速。來自太陽的能量輸入和太陽系外部的宇宙射線，地球的磁場、甚至地面天氣都可能導致系統發生其他變化。
雖然陽光從根本上促成並維持了生命的存在，但同時也可以產生大量輻射和磁能，甚至可以破壞行星的大氣層、衛星甚至生命。當地球周圍的空間環境發生巨大變化時，它被科學家們稱為空間天氣。嚴重空間天氣的潛在影響範圍也是廣泛的，磁暴可能會干擾高頻無線電通信和GPS導航，甚至在電網中產生強電流，從而破壞公用事業服務；無線電通信則可能會在極地受到影響，這對於跨極航線上的客機來說是一個問題；空間天氣輻射會損壞太空飛行器太陽能電池陣列並幹擾通信，嚴酷的太空天氣輻射更可能給太空人帶來風險；而磁暴可則能會在電網中產生強電流，破壞公用事業服務，這種電流也可能出現在石油和天然氣管道中，導致早期腐蝕；近地空間的變化可能使某些衛星受到比預期更多的阻力，導致早熟的軌道衰減，那些來自太空天氣事件的快速移動粒子，可以在衛星電子設備上跳閘。
就像上個世紀陸地天氣的監測和預報有所改善一樣，科學家現在正致力於提高我們對空間天氣的認識，以更好地了解太陽的能量和物質，如何驅動地球附近的太空天氣。當然，研究太空天氣是一項複雜的任務，包含了許多系統之間錯綜複雜的相互作用，比如太陽、太陽風、地球的磁場，以及地球的大氣層。了解我們的太空環境，有助於了解太空飛行器所經過的區域，並為構成行星和其他恆星的力量提供線索。太陽是我們唯一可以近距離進行研究的恆星，它的可變輻射會影響地球的可居住性。而恆星是如何影響整個宇宙中行星的可居住性，研究人員可以通過對太陽和太空天氣的研究提供重要線索。