在黑暗寒冷的太空中,如果不是“熊熊燃燒”的太陽帶來光和熱,地球將是一片死寂。
但是,性格暴烈的太陽,時不時也會(hui) 給我們(men) 製造一點小麻煩,太陽大氣的局部區域會(hui) 在短時間內(nei) 釋放大量能量,也就是我們(men) 常說的太陽耀斑。
太陽耀斑不僅(jin) 會(hui) 引起其局部區域瞬時加熱,還會(hui) 向外發射各種電磁輻射,並伴隨粒子輻射的突然增強,從(cong) 而影響地球的通信、導航甚至航空航天。
中國科學院紫金山天文台研究人員與(yu) 國內(nei) 同行合作,利用美國太陽動力學天文台(SDO)衛星搭載的大氣成像儀(yi) (AIA)和日震磁像儀(yi) (HMI)的多波段觀測數據,詳細研究了2015年10月16日在編號12434的活動區發生的一個(ge) M級環形耀斑,發現耀斑所在區域和附近並沒有明顯的暗化,卻在距離該耀斑約18萬(wan) 千米的寧靜區出現了遠端日冕暗化現象。近日,該研究結果發表於(yu) 《天文與(yu) 天體(ti) 物理》雜誌。
關(guan) 於(yu) 環形耀斑科學家知之甚少,而對於(yu) 環形耀斑與(yu) 日冕暗化關(guan) 係的研究也非常欠缺。這兩(liang) 者同時出現,引發了科學界的關(guan) 注。耀斑與(yu) 其他太陽大氣現象之間是否還存在其他關(guan) 聯?日冕區域暗化意味著什麽(me) ?大麵積暗化區域物質去向哪裏?
劇烈的能量釋放過程
太陽看起來就像一顆刺眼的大火球。天文望遠鏡誕生後,科學家們(men) 才可以逐漸開始研究太陽發出的光,研究太陽表麵黑子,並在日食期間觀察日冕。
直到1859年,英國天文愛好者理查德·卡林頓在觀察太陽時,跟蹤一個(ge) 巨大的太陽黑子,他觀測到一個(ge) 前所未見的現象:一個(ge) “白光耀斑”,強烈明亮,在整個(ge) 黑子中移動了大約5分鍾,然後完全消失。
這是人類第一次觀測到太陽耀斑。之所以稱之為(wei) 耀斑,是因為(wei) 它們(men) 看上去是一些非常光亮的區域,其溫度高達上千萬(wan) 攝氏度,最長持續幾個(ge) 小時。 “太陽耀斑是發生在太陽大氣局部區域,通常是黑子周圍活動區的一種劇烈能量釋放過程,是太陽大氣活動的重要形式之一。”中國科學院紫金山天文台副研究員張擎旻告訴科技日報記者。
耀斑的能量相當驚人,一個(ge) 耀斑所釋放的總能量可達約1022—1025焦耳,相當於(yu) 1.5億(yi) 至1500億(yi) 顆廣島原子彈同時爆炸釋放的能量。耀斑的能量源自太陽表麵積累的磁場自由能,在短時間內(nei) 這些能量通過一種叫做磁場重聯的機製快速轉換為(wei) 等離子體(ti) 的熱能、動能以及輻射能,並產(chan) 生大量高能粒子。
現在,科學家已經可以通過地麵和空間的大型太陽望遠鏡在射電、紅外、可見光、紫外線,甚至是伽馬射線等全波段觀測到耀斑。
目前人們(men) 觀測到的、形態比較規則的耀斑包括兩(liang) 類,一種是雙帶耀斑,這是最常見、研究最成熟的一類耀斑,它們(men) 在太陽低層大氣呈現兩(liang) 條近似平行的亮帶,在日冕中呈現出拱形熱環;另一種是環形耀斑,是美國太陽過渡區與(yu) 日冕探測器發現的一種特殊耀斑,通常由一個(ge) 圓形或橢圓形亮帶和內(nei) 部致密的亮帶組成。
各類活動彼此關(guan) 聯
對於(yu) 太陽來說,耀斑並不是孤立存在的,太陽大氣中的各類活動彼此之間有著密切聯係。比如,太陽黑子釋放其磁能量時產(chan) 生耀斑,而耀斑往往與(yu) 日冕關(guan) 係密切。
統計研究表明,能量越大的耀斑越容易伴隨太陽表麵的另外一類爆發活動——日冕物質拋射(CME)。顧名思義(yi) ,日冕物質拋射就是指日冕在很短的時間內(nei) 向行星際空間拋射大量磁化等離子體(ti) 的過程。這些等離子體(ti) 的質量可達百億(yi) 噸,最高速度可達3000千米/秒。
因此,科學家將那些伴隨著CME的耀斑,稱為(wei) 爆發耀斑,沒有CME伴隨發生的耀斑稱為(wei) 約束耀斑。這也直觀地體(ti) 現了耀斑的能量大小。其實,耀斑和CME都是太陽表麵最劇烈、能量最高的爆發活動,也是產(chan) 生災害性空間天氣的重要源頭。
耀斑和CME產(chan) 生的高能輻射以及磁化等離子體(ti) 經過長途跋涉,到達地球附近時,對地球周圍磁場及電離層產(chan) 生強烈擾動,進而對航天器、通信、導航等產(chan) 生影響。
日冕暗化,也是與(yu) 太陽耀斑爆發或者CME相關(guan) 的另一種大尺度活動。
據觀測,日冕暗化表現為(wei) 局部日冕在極紫外和軟X射線波段輻射的快速變暗和緩慢回升,整個(ge) 過程可持續幾小時到十幾小時。日冕暗化的區域先快速擴展然後緩慢收縮,最大麵積可達數萬(wan) 平方兆米。
“日冕暗化主要是由耀斑和CME導致的密度降低引起的,因此我們(men) 可以根據日冕暗化的光譜變化,大體(ti) 估算CME帶走的物質。”張擎旻介紹說。
科學家認為(wei) ,研究日冕暗化對於(yu) 空間天氣預警和預報有一定的指導意義(yi) ,但目前關(guan) 於(yu) 環形耀斑與(yu) 日冕暗化關(guan) 係的研究還非常欠缺。
或因區域物質密度降低
在此次研究中,科學家發現,耀斑與(yu) 遠端日冕暗化區域由大尺度閉合磁力線相連接,證明二者有著緊密聯係。
據專(zhuan) 家介紹,這個(ge) 遠端日冕暗化的變化過程大致分三個(ge) 階段:首先,在耀斑硬X射線到達峰值前數分鍾,出現微弱的暗化;之後,長而窄的遠端日冕暗化發生了,在幾乎所有極紫外波段都可以觀察到,而耀斑區域本身並沒有明顯變化。隨後,大麵積的暗化逐步向東(dong) 南方向延伸,麵積緩慢增加,部分暗化區域最大相對亮度降低90%;最後,暗化麵積逐漸縮小。
通過估算,整個(ge) 演化過程持續約8小時。同時,這次遠端日冕暗化的特性,比如麵積、亮度、持續時間等,與(yu) CME引起的暗化很接近。
“這一次的發現與(yu) 以往的觀測都不太一樣,很難用現有理論做出完美解釋。”張擎旻認為(wei) ,遠方日冕變暗的原因,推測可能是這些區域物質密度降低,而非溫度變化。
在此之後,科研人員又找到了幾個(ge) 類似事件,說明這種現象並非個(ge) 例。
但是,為(wei) 什麽(me) 耀斑會(hui) 引起太陽大氣變化?消失的物質又去了哪裏?現在還是未解之謎。
無論是耀斑還是CME,都會(hui) 對地球造成巨大影響。在理查德·卡林頓首次觀測到耀斑大約18小時後,地球上出現了有記錄以來最大的地磁風暴;世界各地都觀測到極光;在古巴、夏威夷等赤道附近區域,人們(men) 將看到的極光稱為(wei) “綠色窗簾”;電報機在斷開連接的情況下,因為(wei) 感應電流而引起震動。
如果今天發生這樣的事件,大量電力和電子基礎設施將遭受毀滅性的打擊,造成損失可能高達數萬(wan) 億(yi) 美元。
想要準確預報並減輕空間天氣事件造成的損害,方法隻有一個(ge) ——弄清楚太陽表麵究竟發生了什麽(me) ,而這項研究為(wei) 我們(men) 能夠更多地了解這個(ge) 脾氣不太好的鄰居,又向前邁進了一步。(記者 張曄)
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