正文
太阳耀斑和日冕物质抛射是一回事吗
太阳耀斑和日冕物质抛射是一回事吗
1、第25太阳周期开始了,意味着在未来几年将有更多的太阳耀斑和日冕(CME)。大家有时无差别地使用这两个词,但它们并不相同。以下是它们的区别。
2、随着刚刚开始的第25太阳周期的加速,我们将更频繁地听到关于太阳耀斑和日冕的消息。这两者都是太阳上巨大的能量爆炸。有时,它们同时发生,强大的太阳耀斑总是与日冕相关。当太阳的磁场爆炸性重组,使能量驱入太空,太阳耀斑和日冕就产生了。不过,太阳耀斑是一束耀眼的光,一次日冕是大量的磁化粒子云,它朝一个特定的方向射入太空,有时朝着地球。
3、太阳耀斑和日冕发出不同的东西,它们的外观和传播方式不同,并且在行星附近有不同的作用。
4、这两种爆发产生于太阳内部的运动扭曲其自身的磁场。就像突然松开橡皮筋一样,磁场爆炸性地重新排列,使大量能量进入太空。这种现象会产生突然的闪光,即太阳耀斑。耀斑可持续数分钟至数小时,并且包含大量能量。来自太阳耀斑的光到达地球需要八分钟。耀斑释放的一些能量也会加速高能粒子,使它们可以在数十分钟内到达地球。
5、磁场的扭曲也能产生另一种爆炸,将太阳物质抛向太空。这就是日冕物质抛射,也叫CME。你可以通过大炮的物理原理来想象爆炸。这种闪光就像枪口的闪光,在附近的任何地方都能看到。日冕物质抛射就像一颗炮弹,以单一的优先方向向前推进,从枪管中射出的物质只影响一个目标区域。这就是日冕物质抛射,一个被抛向太空的巨大的磁化粒子云团。被称为等离子体的高温物质以每小时超过100万英里的速度,需要3天才能到达地球。通过太阳望远镜可以看到这两种爆炸的不同之处,耀斑表现为明亮的光,日冕物质抛射表现为膨胀到太空中的巨大气体扇。
6、虽然对第25个太阳活动周期的大多数预测都认为这是一个异常弱的周期(比其他太阳活动周期的高峰期更少的耀斑,更少的活动),但最近的一项研究却认为这是一个异常强的周期(大量的耀斑和其他活动)。时间会告诉我们。这是一张太阳在2021年1月6日的照片。你可以看到它是空白的;没有太阳黑子。据SpaceWeather报道,太阳在过去3天没有可见的黑点。但是由于太阳的活动越来越活跃,开始形成黑子。请看来自Earth Sky社区成员的照片。2020年,太阳有208天是一尘不染的。今年没有黑点的日子可能会越来越少。图片来自SDO/ HMI/ SpaceWeather。
7、耀斑和日冕物质抛射在地球上也有不同的影响,这解释了公众对它们的高度兴趣。NASA解释道:
8、耀斑产生的能量会干扰无线电波传播的大气层区域。这可能会导致导航和通信信号的退化,在最坏的情况下,还会造成暂时的停电。
9、另一方面,日冕物质抛射可以将粒子吸入近地空间。日冕物质抛射会挤压地球的磁场,产生电流,将粒子推向地球的两极。当这些物质与氧和氮发生反应时,就会产生极光,也就是北极光和南极光。此外,磁场变化会影响人类的各种技术。高频无线电波可以被削弱:无线电发射的是静电干扰,GPS坐标会偏离几码。当电力公司没有做好准备时,磁场振荡还会在地球上的公用事业电网中产生电流,使电力系统过载。
10、NASA可以指出一个强大的基于太空的太阳物理学舰队——一个由太阳、日球层、地球空间和行星宇宙飞船组成的舰队——同时运行以了解太阳系的动态,并一直在监视这些爆炸。在接下来的几年里,随着第25个太阳周期的加速,太阳活动将会增多:更多的耀斑和日冕物质抛射。NASA解释道:
11、就像我们如何预测雷暴和阵雨一样,美国国家海洋和大气管理局的空间天气预报中心运行模拟,可以根据这些数据和其他数据预测日冕物质运动何时到达地球。然后,他们会向相关团体发出警报,以便电力公司、航空公司和其他利益相关者在太阳风暴发生时采取预防措施。例如,如果强日冕即将到来,公用事业公司可以重定向电力负荷,以保护电网。
12、这是另一张太阳照片,摄于2021年1月6日,由美国国家海洋和大气管理局空间天气预报中心拍摄。如果你去那个页面,你可以得到很多关于太阳今天正在做什么的最新信息。
13、总结:太阳耀斑和日冕物质抛射(CMEs)都是在太阳磁场发生爆炸性调整时产生的,将大量能量送入太空。太阳耀斑是一种明亮的闪光。日冕物质抛射是一团巨大的磁化粒子云,它们以特定的方向被抛向太空,有时抛向地球。
什么是日冕
日冕是太阳的外层大气,延展到几倍太阳半径甚至更远,物质极其稀疏,但温度却达百万度,主要由质子、高次电离的离子和自由电子组成,很透明。日冕的可见光辐射仅约光球的1/1000000,因此,平时肉眼看不到日冕,仅在日全食时才能看到。
1931年,法国天文学家李奥在望远镜物镜所成日轮像前,用一个略大的遮挡圆片代替月球来人为地产生日全食,再在后面拍摄二次像,研制成日冕仪,在高山良好天气可以观测到日冕。航天时代以来,又设计了新型日冕仪,放在航天器上更有效地观测日冕。
在太阳活动极大时期,日冕近似圆形;在活动极小时期,日冕近椭圆形,赤道区比两极区更延展。一般说,日冕外部越来越暗,延展到5R⊙以上,实际没有明确外界。在日冕照片上,可以看到相当复杂的形态结构。很醒目的亮束称为“冕旒(或冕流)”,有的下部呈盔状,底部常有较暗的冕穴位于日珥之上。冕旒可持续几个太阳自转周。“日冕射线”是较细长的亮束。在太阳活动极小时期,射线尤其显著且数目多。有些呈羽毛状从极区散开,故称为极羽,其分布类似于长条形磁极附近的磁力线。细的射线约1″宽,而粗的达超过20″,长度可达1100″(或1.1R⊙)以上,寿命约15小时。“冕环或冕拱”是亮的环状结构,典型大小约1000千米×10000千米,几天到2星期就变化。
早在1957年,瓦尔德迈尔(M.Waldmeier)就注意到日轮外的日冕有暗区。过去曾认为太阳上可能存在所谓M区,那里发出的粒子流造成27天周期的地磁扰动,直到1974年,“天空实验室”拍摄的X射线太阳像上,清楚地揭示出,日轮上的暗区——“冕洞”才是这些粒子流的源区,而不再用M区概念。冕洞是日冕的温度和密度较低区,也是单极、开放的较弱磁场区,因而允许高速太阳风粒子流出。冕洞大致可分为极区冕洞、延展冕洞和孤立冕洞3种。单个冕洞占日面总面积的1%~5%,而极区冕洞占6%~10%,冕洞在太阳活动极小期比极大期更大,寿命也更长,有的甚至超过10个太阳自转周,而小冕洞寿命约1个太阳自转周。冕洞的显著特征是刚性自转,一个从南到北跨越纬度范围90°的延展冕洞历经几个太阳自转周也没有明显形态变化。在X射线太阳(日冕)像上有一些亮斑,大小20″~30″,寿命为2~48小时,估计每天可出现约2000个亮斑。X射线亮斑常出现于较小的偶极磁区。
日冕常出现激烈运动的瞬变事件,呈环状、泡状、云状等增亮结构,以速度300~1000千米/秒向外运动,发生“日冕物质抛射(CMES)”。一次事件抛射质量1012~1013千克,能量1023~1025焦,太阳活动极大期每天发生2~3次事件,极小期10天发生1~3次事件。这些事件常跟耀斑或爆发日珥相伴。
日冕的光学辐射包含3种成分:①K冕。这是高温日冕的自由电子散射的光球辐射,显示有很强的偏振特性,它是内冕和中冕的主要成分。②E冕或L冕。这是日冕离子的发射线辐射,除了发射线单色辐射显著外,它对白光的贡献很小。③F冕或内黄道光。这是尘埃散射的光球辐射,基本是非偏振的,因而可以用偏振观测与K冕分离,它对内一中冕贡献较小,而对外冕的贡献大。
日冕中主要有3种能量损耗:辐射耗能、向下的热传导耗能、向外的太阳风和向下流入色球的物质流耗能,总损耗能量为300~1000焦/米2·秒。显然,需要有某些能量输入机制以补偿损耗来维持日冕高温,这就是长期争论而未很好解决的日冕加热问题。近年来更重视磁加热作用,通过电流的欧姆耗散或磁场湮灭释放能量可能占日冕加热的较大部分。
各种太阳活动现象出现的区域和性质虽然不同,但它们之间或多或少有一定联系,常表现为群发性,显示太阳活动强弱有某些普遍的“韵律”周期,最明显的是约11年和22年周期。太阳的某些区域经常出现太阳活动现象,因而称为“太阳活动区”,常有某些活动中心出现强烈活动。几个活动区集中而形成“活动复合体”。浮力把光球下面的磁场托入太阳大气,显露为活动区。太阳活动的白光表现是黑子和光斑,单色光表现是谱斑、网络、耀斑、冕洞和日珥,而日冕表现更显著。
太阳耀斑是什么
太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层中,所以也叫“色球爆发”。其主要观测特征是,日面上(常在黑子群上空)突然出现迅速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之间,亮度上升迅速,下降较慢。特别是在,耀斑出现频繁且强度变强。
别看它只是一个亮点,一旦出现,简直是一次惊天动地的大爆发。这一增亮释放的能量相当于10万至100万次强火山爆发的总能量,或相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸;而一次较大的耀斑爆发,在一二十分钟内可释放巨大能量,除了日面局部突然增亮的现象外,耀斑更主要表现在从射电波段直到X射线的辐射通量的突然增强;耀斑所发射的辐射种类繁多,除可见光外,有紫外线、X射线和伽玛射线,有红外线和射电辐射,还有冲击波和高能粒子流,甚至有能量特高的宇宙射线。
耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸,地球大气层即刻出现缭绕余音。耀斑爆发时,发出大量的高能粒子到达地球轨道附近时,将会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。当耀斑辐射来到地球附近时,与大气分子发生剧烈碰撞,破坏电离层,使它失去反射无线电电波的功能。无线电通信尤其是短波通信,以及电视台、电台广播,会受到干扰甚至中断。耀斑发射的高能带电粒子流与地球高层大气作用,产生极光,并干扰地球磁场而引起磁暴。
此外,耀斑对气象和水文等方面也有着不同程度的直接或间接影响。正因为如此,人们对耀斑爆发的探测和预报的关切程度与日俱增,正在努力揭开耀斑迷宫的奥秘。
传说,第二次世界大战时,有一天,德国前线战事吃紧,后方德军司令部报务员布鲁克正在繁忙地操纵无线电台,传达命令。突然,耳机里的声音没有了。他检查机器,电台完整无损;拨动旋钮,改变频率,仍然无济于事。结果,前线失去联系,像群龙无首似的陷入一片混乱,战役以失败而告终。布鲁克因此受到军事法庭判处死刑。他仰天呼喊“冤枉!冤枉!”后来查清,这次无线电中断,“罪魁祸首”是耀斑。布鲁克的死,实在冤枉。他的死,在于人们当时对耀斑还不了解。
03年10月底11月初,科学家目睹了一场有记录以来最大的太阳耀斑爆发。这些带电粒子大规模地倾泻而出,即使在地球以及地球周围的空间里也显而易见——这里距离源头整整有1.5亿千米远。举例来说,突击到我们邻近空间中的粒子,它们的轰击有时会非常强大,以至于许多科学卫星和通信卫星不得不暂时关闭,少数还遭到永久性的损伤。同样,国际空间站的宇航员也面临着危险,不得不到空间站上防护相对较好的服务舱中寻求庇护。在地球上,定期航班避开了高空航线,因为在那里,飞行员可能会遇到无线电通讯方面的问题,乘客和乘务人员可能吸收到的辐射剂量令人担忧。电网也不得不严格监控电涌。尽管有了这些努力,瑞典南部的5万户居民还是短暂地失去了电力供应。
幸运的是,即使与最糟糕的太阳风暴狭路相逢,地球的磁场和大气层也可以保护地球上绝大多数的人免遭蹂躏。但是社会对科技的依赖日益加深,使得在某种程度上,几乎每个人都容易遭受攻击。在大耀斑爆发的过程中,最大的潜在破坏来自那些高速射离太阳外层大气的物质——在空间物理学家的术语中,它们被称为“日冕物质抛射”。其中一些抛射事件会将巨量的电离气体送入与地球相撞的轨道中,就像2003年多次异常巨大的耀斑爆发那样。
尽管科学家一直想弄清楚是什么引起了耀斑爆发和日冕物质抛射(它总是伴随着众多耀斑出现),但只有在大约最近十年中,观测才达到足够的水准,足以揭露出它们的纷繁复杂,阐明它们背后的物理机制。这多亏了20世纪90年代引入的一些新技术。结果证明,问题的关键在于磁力线突然的重新排布,这种现象被称为重联。