汪景琇：太阳活动和空间天气（3）

我们再看看2012年之后美国IRIS卫星观测到的无所不在的小尺度喷流现象。

这是在紫外波段由IRIS卫星观测的太阳过渡区图像。除了太阳黑子、强耀斑、日冕抛射之外，小尺度太阳活动也无所不在。

日珥（暗条）爆发是太阳活动中最优美的对象。上图是1946年美国科学家拍摄到的一个边缘日珥的爆发。这个日珥因为太大，被称为“祖父日珥”（Grandpa prominence）。日珥爆发的时候非常壮观，通过太阳表面的弧度也能看出这个日珥很大。

近代观测到的日珥就更漂亮了（如上图）。上图中，我们看到两种对象：一种是浅黄色的，代表百万度高温的结构；另一种是暗红色的，代表几十万度或者几万度的低温。日珥爆发时，从边缘看也是非常漂亮的，爆发时百万度的结构会爆裂，低温物质会被扫荡干净。

上图是日冕附近的日珥爆发。日珥爆发时，暗物质爆发掉了，其中快速向外扩展的是激波面，即是快磁声波激波。激波刚出来时的速度大概为每秒1000公里左右。日珥物质下落时，其形状发生改变，并且发生物理上的等离子体体抛射现象；日珥物质落到太阳表面时，太阳表面出现第二次的增量，并出现天体物理当中的吸积过程。

上图是用紫外波段观测到的太阳耀斑。从对应的磁场结构可以看到，中间是负极黑子，磁力线是呈附着状向外；黑子快速旋转，大量的磁能通过黑子旋转积累起来，再快速释放出去。

太阳耀斑导致了强烈的日冕物质抛射。日冕物质抛射经常具有持久的南向磁场，与磁层强烈地相互作用，导致磁层亚暴和磁暴。上图中，中间这条白线是太阳，大量的物质从太阳中心向四面八方抛射。一次日冕物质抛射大约要抛射几十亿吨到几百亿吨不等的百万度的高温等离子体。另外，日冕物质抛射之后，大量高能粒子打在其被吸积的表面上，使其不能正常工作。

日冕物质抛射是太阳系内尺度最大、影响最大的太阳活动形式。日冕物质抛射的过程与太阳耀斑也是相互联系的。

下面我们说一下今天的太阳和空间物理学家在做哪些努力、能够做到什么程度。日冕物质抛射到行星际，变为磁云。磁云是什么呢？它就是一团扭缠着的特别乱的磁力线和磁通量，它一直影响我们的地球空间，影响地球磁层。

太阳爆发到底会产生怎样的影响？大家请看上面的动图，它将艺术描述和观测结合起来。图中，太阳爆发出来，化为磁云在行星际传播，撞击地球的磁层顶；然后把太阳的能量注入地球的磁尾，并在磁尾发生一种被称为“磁重联”的过程，把能量带到地球的两极，让两极出现极光。所以，尽管这是一个把观测和艺术描述结合在一起的动画，但是大家却看到了太阳爆发影响地球环境的过程。

太阳活动对象的尺度有多大？热等离子体加速能量是3×10³¹尔格；一个太阳爆发的能量大约是10³²尔格。10³²尔格是什么概念？一个氢弹爆炸的能量是10²³尔格，所以一个太阳爆发的能量，是氢弹爆炸的10亿倍。我有一个同事经常这么讲：一个太阳耀斑的能量是多少？就相当于全世界每人发一个氢弹，然后喊“123”同时引爆。

太阳风暴怎么样影响日地环境？上图中有三个方块，一个是指全波段的电磁辐射影响，一个是高能粒子影响，一个是磁通量和等离体抛射的影响。所以空间物理学家常说，太阳对地球是三轮轮番轰炸。最快的一轮是全波段电磁辐射，8分钟就到地面。所以短波通讯受到的影响最快：如果太阳上有爆发，那么短波收音机或者电视信号马上就会变坏。因为紫外辐射影响了电离层。电离层密度一变化，无线电信号马上就到受影响。第二轮是高能粒子，一般快的需要15分钟左右到达地面，慢的甚至需要一天多才能到达。如果高能粒子需要15分钟到达地球，那么这个高能粒子的速度应该是多少？差不多一半的光速。所以，太阳表面的一次爆发，能够让大量高能粒子在短时间内加速到相对论效应水平。第三轮是磁通量磁化等离体，它以磁云的方式在行星际传播，平均3.14天到达地球轨道，影响地球空间。 

太阳风暴对地球都有哪些影响？首先是影响宇航员。太阳风暴会产生过量的高能粒子辐射，即放射性污染，这会影响宇航员、影响跨越极区的飞行。因为极区没有地球磁场，像漏斗状，当跨越极区的时候，如果有太阳爆发，那么高能粒子会无遮拦地顺着极区的磁穴区就穿过来；而在其他地方，地球磁层把太阳高能粒子屏蔽掉了，所以不管飞机飞得多高都不会受到影响。其次，会使卫星的深层充电、卫星的姿态控制会受影响；使得地球的中层大气向上抬、卫星经历了更多的摩擦，导致翻滚。再次，影响远距离输电、输油。最后，影响通讯。另外，强烈的太阳爆发时，地球紫外线会超标。