太陽風暴來襲之日冕物質拋射

2020-12-06 騰訊網

舉頭望明日，就想打噴嚏。我們對太陽的存在早已習以為常。但大概是距離產生美，大夥對太陽的關注遠沒有對「宇宙的起源」、「黑洞的形成」熱情。《2012》這樣的好萊塢科幻大片中將人類史上最大一次太陽爆發和全球毀滅性災難關聯起來，然而，這是真的麼？今天我們就撥開雲霧見日明，聊一聊太陽大氣中最重要的爆發現象之一：日冕物質拋射（coronal mass ejections，簡稱 CMEs）。因為如果不了解它的脾氣，雖不至地球毀滅，後果還是蠻嚴重的。

1989年的CME事件造成了強烈的地磁擾動，導致加拿大魁北克全省近9個小時的大停電，直接經濟損失達上千萬美元。而當時正在工作的「太陽極大期任務衛星（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，這直接加速了該衛星的墜毀。

所以，加強對CME及其他太陽活動爆發的研究和監測具有極其重要的意義！！

圖1.日冕物質拋射與地球磁層相互作用，產生地磁暴和極光 | 圖源：NASA

什麼是日冕物質拋射？

太陽應該屬於「遠看靜如處子，近看動如脫兔」的典例了，太陽大氣實際非常活躍。它分為光球、色球、過渡區和日冕。光球就是我們日常生活中肉眼看到的太陽表面。它發出的可見光輻射遠比其他層次的輻射要強。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構。

圖2.2008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拋射。顧名思義，它從日冕中拋射出的大量磁化物質。它的爆發通常攜帶了大量的等離子體，所釋放的能量可達1028-1032 erg，相當於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，其運動速度最快能達到幾千千米每秒。當CME向地球方向拋射時，經過兩三天的長途跋涉，它將到達地球。如果CME攜帶南向磁場，將和地球磁場相互作用發生磁重聯過程產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拋射？

觀測日全食的機會難得，怎樣才能長時間監測CME呢？1930年，法國天文學家 Bernard Lyot 發明了第一臺地面日冕儀，其基本設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，然後就可以使人們不需要等待日食的發生就能在任何晴朗的白天對太陽日冕進行直接觀測。第二次世界大戰之後，空間太陽觀測技術飛速發展。60年代以後，美國和前蘇聯開始利用人造衛星對太陽進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）」，隨後一系列的空間探測衛星的長期觀測使得CME的研究開始蓬勃發展起來。高質量的觀測數據顯示，CME經常是長這樣的：

圖3.可見光日冕儀SOHO/LASCO C3 中的CME及其三分量結構 | 圖源：NASA

打開CME觀測新窗口

2022年左右我國首顆太陽探測衛星「先進天基太陽天文臺」（ ASO-S）將發射升空，其科學目標就是要揭開太陽爆發的神秘面紗。衛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）獲取全日面和內日冕（2.5個太陽半徑之內）高時空解析度的圖像。從可見光和萊曼阿爾法兩個波段上看，CME的長相原來風格迥異。

圖4.ASO-S衛星及模擬的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團隊正利用LST的觀測優勢，結合人工智慧等新技術，對CME實行自動識別與跟蹤，深入挖掘CME新的物理本質，以期對其進行監測和預報，為我們的航空航天通信導航等活動提供預警保障。

來源：中國科學院紫金山天文臺

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