太阳活动和空间天气

汪景琇 中国科学院院士

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太阳光芒万丈，它以无尽的热量，孕育了太阳系，包括地球上智慧的人类。自古以来，人们对太阳的好奇、崇拜以及探索就没有间断过。人类最古老的歌颂太阳的诗歌是古埃及的《亡灵书》。在我们国家歌颂太阳的古代诗歌当中，我最喜欢屈原的《九歌·东君》：

暾将出兮东方，照吾槛兮扶桑。

抚余马兮安驱，夜晈晈兮既明。

驾龙辀兮乘雷，载云旗兮委蛇。

长太息兮将上，心低徊兮顾怀。

羌声色兮娱人，观者憺兮忘归。

……

屈原的《九歌·东君》写得很人性化，他说太阳将从东方升起来了，照耀我的田园和家乡。我驱马慢慢地前行，夜色皎皎，天就要亮了。然后突然一转，说驾着万军雷霆，带着万里云霞，太阳要升起来了。美丽的太阳升起来了，观看日出的人流连忘返。

除了《九歌·东君》这首歌颂太阳的诗歌，屈原还在《天问》里提出了有很多关于太阳的问题：

天何所沓？十二焉分？

日月安属？列星安陈？

出自汤谷，次于蒙汜。

自明及晦，所行几里？

……

羲和之未扬，若华何光？

何所冬暖？何所夏寒？   

屈原问道：“日月安属？列星安陈？”，就是日月到底挂在什么地方？像太阳这样的恒星属于哪儿？另外，他还问了一些很有趣的问题，比如“羲和之未扬，若华何光？”，他说给太阳赶车的车夫的鞭子还没有扬起来，在西北的若华林上，就已经看到了绚丽的光彩，这到底是什么原因？我大致猜想，这就是美丽的极光现象。因为即使在夜里，极光也会把大地照得灿如白昼。他还问道：“何所冬暖？何所夏寒？”这说明在那个时候，他已经问到了气候异常的原因：为什么有时候冬天是暖的、夏天却是冷的？

那么，今天的人们对太阳是如何理解的、对上面这些问题是否仍然感兴趣？美国宇航局2014年-2033年的太阳和空间物理发展路线图的主旨，回答了是什么导致了太阳的变化，近地空间、行星际空间和日球怎样响应这些变化，它们对人类有什么影响。另外，美国科学院有一个2013年-2022年的太阳和空间物理十年科学规划，他们给这个规划起了一个名字，叫作“一个技术社会的科学”。十年科学规划的科学目标是：确定太阳活动的起源和预报空间环境的变化，认知太阳与太阳系和星际介质的相互作用，发现和定量描述日球和宇宙中的基本过程……由此我们也可以看到，两千多年前的伟大先哲所提出的问题，今天人们依然在执着地追寻答案。

进入正题之前，我们大致了解一下太阳的相关知识。首先，太阳位于银河系的一个小悬臂上。所以银河系是太阳所在的母星系。太阳到银河系中心的距离是3至4万光年，整个银河系的半径大约是7.5万光年。近年来一些新的研究发现，银河系周边还环绕着亚星系，所以实际上银河系可能要比前面的数字大得多。

在银河系中，太阳的“王国”是指太阳用太阳风和高能粒子，以及太阳磁场所能控制的空间。太阳风所及的地方与银河系、星际介质之间的边界大约有100个AU，即100个日地距离。从太阳向外看，我们会看到水星、金星等“八大行星”和矮行星，然后是小行星带；接着往外看，是日球层边界（在太阳或太阳风的能量与恒星风的能量可以匹敌的地方，即能量基本相等的位置，物质和等离体堆积，形成了一个边界层，这就是日球和太阳风的边界层）；再往外看，是星际介质和奥尔特云等星际介质当中的一些结构；另外，我们还可以看到比邻星，比邻星是离太阳最近的恒星，大约在4光年多的位置。有研究发现，比邻星的一个行星上很可能有类地生命存在。

上图是太阳的结构。日核处于中间位置，这里是产生日核反应、驱动太阳和太阳系能量的地方。它通过两个氢核合并为一个氦核，把多余的质量转化为能量，源源不绝地为太阳提供了自己生命周期当中的所有能量。再往外是辐射区，日核产生的能量是通过辐射的方式向外传播，由于太阳太厚、太重，所以辐射的能量传播到一定距离时，就传播不动了，就像有一面墙把它堵住了一样，这个地方叫作对流层底。由于能量在这里积累，上边的大气，即30%左右的太阳大气，被烧得沸腾起来，所以这个层次叫作“对流层”。对流层再往外就是太阳光球层，这是太阳黑子所在的地方。太阳光球再往外是温度极小区，大约4300℃。然后是太阳色球层、太阳过渡区、日冕（日冕的温度是200万℃）。在日冕里有很剧烈的活动现象，比如耀斑；在日冕中还有一些暗冷的物质，就叫作“日珥”，是很美丽的现象。以上这些太阳结构，大多数在近代以前大家都已经知道了。近代以来，人们又有了一些新发现，比如：人们发现在对流层底有一个旋切层，此处在太阳旋转时有非常大的梯度，即上下两层之间的梯度非常大，所以大家认为这里是太阳磁场所产生的温床。

天文观测是用光谱学的方法。我们是通过从伽玛射线（波长为10-18米）、X射线、紫外线，到可见光、红外线，以及射电波段等的光谱研究，来了解我们的世界、了解我们的宇宙的，对太阳的研究也不例外。目前，对太阳的研究基本覆盖了从伽玛射线到射电波段的全波段。在宇宙对象当中，太阳几乎是唯一一个覆盖全波段观测的天体对象。另外，活动星系核也是覆盖了很多的波段；对一些天体对象，我们只能在局部波段观测到它们。