汪景琇：太阳活动和空间天气（2）

讲到太阳活动和空间天气，我们还必须提到一个人——黑尔（Hale）。黑尔开创了现代的天体物理学。1897年，物理学家发现了一种被称为塞曼效应的物理过程，即原子在磁场当中发射的光谱，由一条变为了三条。五年后，塞曼被授予诺贝尔物理学奖。十年后，黑尔基于塞曼效应，发现黑子的光谱也是一分为三，说明黑子有很强的磁场。在他之前，所有的天文研究与地质学、地理学一样，是通过记录、观测现象的方法来进行研究。从黑尔开始，人们开始用物理学的方法来诊断、解读我们所观测的天体对象到底是什么。黑尔首开用物理学方法研究天体对象的先河，标志着太阳物理学和天体物理学的诞生。

现在人们已经了解了许多关于太阳的知识，也掌握了很多太阳的基本物理参数。比如，日地距离是1.496×10¹¹米，相当于光走8.3分钟的距离；太阳的半径约70万公里，是地球半径的109倍；太阳的质量是地球的33万倍；逃逸速度是618公里/秒，假如要扔一个东西到太阳系，速度最小要达到每秒618公里；太阳的平均密度是水的1.4倍；太阳常数在地球轨道处（大气层外）是每平方米1366瓦，太阳常数一百年内变化小于千分之二，地球上的生命之所以能够存在，与太阳这样稳定的辐射有很大的关系；太阳亮度是3.85×10²⁶ 瓦；太阳年龄约为46亿年，它在主序星带上已经生存了46亿年，正处于中年期；太阳的化学组成是70.68%的氢、27.43%的氦以及1.89%的其它元素。　　

以前，人类的活动一直局限在太阳系内，太阳系是人类的家园。20世纪的70年代，美国宇航局发射了两艘空间探测器——旅行者1号和旅行者2号,也就是我们所谓的飞船。根据美国宇航局研究数据显示，“旅行者1号”已经在2012年飞出了太阳系。飞船70年代发射，直到2012年才走出了太阳系，这是一个非常遥远的距离。

下面我从六个方面给大家介绍太阳活动和空间天气。

一、太阳活动及其在行星际空间传播和影响的过程

太阳活动是发生在太阳局部地区的爆发式磁能释放过程，表现为剧烈增长的电磁辐射、高能粒子流和成团磁化等离子体抛射，并以暗条（日珥）爆发、太阳耀斑和日冕物质抛射为主要形式。与地球上的狂风暴雨相类比，人们常以“太阳风暴”通俗地描述太阳活动及其在行星际空间传播和影响的过程。

所谓“太阳风暴”，是以太阳耀斑、日冕物质抛射为代表的太阳爆发及其在行星际的传播和相互作用的过程。与地球上的风暴不同，“太阳风暴”是一种剧烈的电磁风暴。大家知道，地球是中性大气，其能量主要表现为压力梯度、湿热潜能；太阳则不同，其主要为电磁对象，所以太阳风暴是一种电磁风暴。比如电磁武器，就是通过一种电磁能量的爆发来干扰对方的通讯和侦查系统。

空间天气，是由太阳风暴驱动的地球空间环境和行星际综观变化。在远古时代，人们生活并不需要高技术，所以那时候有没有太阳风暴，影响并没有这么大。可是在高度依赖空间技术的今天，空间灾害性天气成为人类面临的自然灾害之一。2016年10月，时任美国总统的奥巴马签署了题为《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》的总统行政命令，要求NASA和国防部、国土安全部、商务部等部门一起，为应对太阳风暴所带来的危害做好准备，并详细规定了各部门的职能，比如哪些部门负责监测、预报、预警，哪些部门负责协调等。

太阳黑子是太阳活动最基本的形式。上图是2014年5月美国大型天文台1.6米NST（New Solar Telescope：新太阳望远镜），在分辨率最高的情况下看到的黑子。

太阳磁场是太阳活动和空间天气的驱动者。太阳的磁场十分复杂，其两极的磁场是开放的。上图中，粉色的磁场代表一个极性，深色的磁场代表一个极性，南北两极的极性正好相反；中间还有许多封闭的磁环、磁圈。我在美国加州理工学院工作时，有一位巴西的同事就曾说过，太阳磁场和太阳纤维就像他儿子的卷发，风一吹来就乱动，简直不知道怎么描述它。

上图是太阳表面视向磁场，其中白色的是正极磁场，代表磁力线离开太阳表面；黑色的是负极磁场，代表磁力线进入太阳。太阳上有很多的双极区，即从正极出来进入负极；还有许多大范围的单极区，即所谓的冕洞。另外，上图箭头所指为23太阳周的超级太阳活动区。

这是以美国斯坦福大学为主做的一个空间观测。近年来，空间观测进一步发展，如上图：蓝色是正极，磁力线出来；红色是负极，磁力线进去，这些短线把磁力线的走向和位置给展示出来了。在正极和负极磁场相互作用的地方，磁场剪切非常严重，这里既有磁场浮现，又有磁通量消失。

近年来，国际上对太阳磁场的观测取得了很大的进展，取得了大量资料，比如上图中在一个太阳周的时标内对太阳活动进行的24小时不间断观测。天文学家一直在辛勤地工作，希望通过监测太阳的变化，来预报空间天气的影响。

随着磁场的激烈活动和相互作用，某些地方不停地出现X射线辐射，X射线辐射使局地区域出现剧烈的电磁辐射，就被称为太阳耀斑。

太阳耀斑的能量来自磁场，那么，在没有黑子的地方，太阳是什么样的？上图是我和学生观测到的完全没有黑子的地方。可以看到，太阳表面覆盖着非常小尺度的无所不在的磁场，这些磁场不停地浮现、消失。图中用红色圈起来的地方就是温度高于太阳平均温度的地方；蓝色是温度偏低的地方。所以，太阳磁场的变化会使太阳表面的温度产生变化。