鄭瑞生

3月23日，我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星E星觀測(cè)到太陽(yáng)表面突然出現(xiàn)一個(gè)巨型“黑洞”；隨后，地球上出現(xiàn)了絢麗的極光現(xiàn)象。4月21日，我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星E星再次觀測(cè)到太陽(yáng)南極附近的巨型“黑洞”；4月24日，地球上再次出現(xiàn)絢麗的極光現(xiàn)象。這次極光罕見(jiàn)地在我國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)被觀測(cè)到。那么，太陽(yáng)上的“黑洞”是怎么回事？它與地球極光之間又有什么聯(lián)系呢？

太陽(yáng)的“外衣”

要想知道太陽(yáng)上的“黑洞”究竟是怎么回事，首先得了解一下太陽(yáng)的大氣層。與地球類似，太陽(yáng)上也有大氣。我們?nèi)粘Ｈ庋塾^看（安全前提下）太陽(yáng)所見(jiàn)到的“圓盤(pán)”，就是其大氣層底部，稱為“光球?qū)印?，厚度約500千米。光球?qū)μ?yáng)內(nèi)部的輻射是不透明的，所以我們觀測(cè)到的太陽(yáng)可見(jiàn)光輻射主要來(lái)自光球。

地面太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡用氫（太陽(yáng)上約90%都是氫）阿爾法譜線觀測(cè)，看到的是太陽(yáng)光球?qū)由戏降纳驅(qū)?，厚度約2000千米。色球?qū)拥目梢?jiàn)光輻射僅為光球輻射的幾千分之一，因而肉眼看不到色球?qū)?。色球?qū)釉偻?，有一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的薄層，其厚度會(huì)隨時(shí)間和空間迅速變化，稱為“過(guò)渡區(qū)”。過(guò)渡區(qū)之上，就是太陽(yáng)大氣的最外層，即日冕。

同樣，相比于光球的可見(jiàn)光輻射，日冕的白光輻射微乎其微（百萬(wàn)分之一），所以在地面上對(duì)日冕的觀測(cè)，主要集中在日全食時(shí)刻。后來(lái)科學(xué)家發(fā)明了人造日食儀器——日冕儀，對(duì)日冕的觀測(cè)就可以隨時(shí)進(jìn)行了。借助日全食階段拍攝的日冕白光照片，我們可以清楚地看到：日冕層物質(zhì)極其稀疏，非常透明，沒(méi)有明確的外邊界，可以向外一直延伸到行星際空間里。日冕的范圍可以延伸到太陽(yáng)直徑的幾倍到幾十倍，而且是動(dòng)態(tài)的，在太陽(yáng)活動(dòng)極大年和極小年，日冕呈現(xiàn)出圓形和橢圓形，就像太陽(yáng)的“外衣”。日冕是太陽(yáng)大氣與行星際空間關(guān)系最密切的部分，像太陽(yáng)的觸手一樣可以直接擾動(dòng)近地空間環(huán)境。

日全食階段，我們從可見(jiàn)光波段觀測(cè)到的是向外延伸很遠(yuǎn)的日冕，表現(xiàn)為大尺度的閉合冕環(huán)和無(wú)限延伸的開(kāi)放磁力線。那低處日冕的結(jié)構(gòu)如何呢？我們要觀測(cè)這些日冕結(jié)構(gòu)的底部，也就是扎根在太陽(yáng)表面的腿部，就需要空間衛(wèi)星或探空火箭了。因?yàn)槿彰岬闹饕椛浼性跇O紫外和軟X射線波段，這些輻射會(huì)被地球大氣吸收。得益于空間科技的發(fā)展，我們現(xiàn)在可以瀏覽日冕的衛(wèi)星實(shí)時(shí)觀測(cè)圖像，而且能看到的細(xì)節(jié)也越來(lái)越多。

太陽(yáng)“外衣”上的“黑洞”

在低日冕（日冕底部到0.5個(gè)太陽(yáng)半徑高度）的衛(wèi)星圖像上，我們可以看到豐富而復(fù)雜的大氣結(jié)構(gòu)，比可見(jiàn)光波段的太陽(yáng)有趣多了。我們看到的明亮區(qū)域，也就是活動(dòng)區(qū)。這些活動(dòng)區(qū)由一系列的低冕環(huán)聚集而成，是太陽(yáng)上磁場(chǎng)最密集、存儲(chǔ)能量最多的區(qū)域。在活動(dòng)區(qū)周圍，分布著一些較暗的高冕環(huán)，密度相對(duì)來(lái)說(shuō)也較低，亮度比較弱，這就是寧?kù)o區(qū)。除了活動(dòng)區(qū)與寧?kù)o區(qū)外，低日冕還有一個(gè)顯著的結(jié)構(gòu)，就是比寧?kù)o區(qū)更暗，看起來(lái)像“黑洞”一樣的區(qū)域，科學(xué)家稱之為“冕洞”。

在活動(dòng)區(qū)周圍，分布著一些較暗的高冕環(huán)，密度相對(duì)來(lái)說(shuō)也較低，亮度比較弱，這就是寧?kù)o區(qū)。除了活動(dòng)區(qū)與寧?kù)o區(qū)外，低日冕還有一個(gè)顯著的結(jié)構(gòu)，就是比寧?kù)o區(qū)更暗，看起來(lái)像“黑洞”一樣的區(qū)域，科學(xué)家稱之為“冕洞”。

冕洞代表了日冕底部低密度和低溫度區(qū)域，主要是活動(dòng)區(qū)衰退和擴(kuò)散的結(jié)果。冕洞能夠長(zhǎng)久地存在于太陽(yáng)表面，持續(xù)時(shí)間大概數(shù)天到數(shù)月，有時(shí)候會(huì)隨著太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)周而復(fù)現(xiàn)。另外，冕洞的形狀是多種多樣的，有大有小，有規(guī)則圖形也有不規(guī)則圖案。冕洞主要分布在太陽(yáng)的南北極區(qū)，偶爾也會(huì)延伸到低緯區(qū)域甚至赤道附近，形成“象鼻”冕洞。

太陽(yáng)內(nèi)部無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著核聚反應(yīng)，產(chǎn)生光和熱、釋放大量能量，必定會(huì)引起日冕的膨脹?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，整個(gè)日冕層會(huì)源源不斷地向外膨脹擴(kuò)散，發(fā)射出穩(wěn)定的粒子流，將太陽(yáng)上的等離子體吹向行星際空間，產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的太陽(yáng)風(fēng)，所以整個(gè)太陽(yáng)系包括地球都浸泡在持續(xù)的背景太陽(yáng)風(fēng)中。這些背景太陽(yáng)風(fēng)的平均速度為300～500千米/秒，但是觀測(cè)上經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些速度在500～800千米/秒的高速太陽(yáng)風(fēng)。這些高速太陽(yáng)風(fēng)的源頭在哪兒？

冕洞是開(kāi)放磁力線集中的區(qū)域，這些磁力線一端扎根在太陽(yáng)表面，另一端則延伸到行星際空間中。由于冕洞區(qū)域的密度更低，磁場(chǎng)強(qiáng)度也更弱，于是這里的物質(zhì)可以更容易地向外逃離。基于美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家已證實(shí)速度在450～850千米/秒的快速太陽(yáng)風(fēng)就發(fā)源于冕洞之中。所以說(shuō)，冕洞是高速太陽(yáng)風(fēng)的主要源頭，就像太陽(yáng)“外衣”上的“風(fēng)洞”。沒(méi)有閉合冕環(huán)的束縛，“風(fēng)洞”吹出來(lái)的太陽(yáng)風(fēng)速度肯定要更快一些。

地球磁場(chǎng)提供保護(hù)

高速太陽(yáng)風(fēng)攜帶著大量帶電粒子，經(jīng)過(guò)近地空間，會(huì)與地球磁場(chǎng)發(fā)生相互作用。地球磁場(chǎng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈的變化，如果地磁場(chǎng)的變化幅度超過(guò)一定數(shù)值，就發(fā)生了地磁暴。地球磁場(chǎng)，是由中低緯地區(qū)的閉合磁力線和高緯地區(qū)的開(kāi)放磁力線組成的，是地球生命的“保護(hù)傘”。

太陽(yáng)風(fēng)的帶電粒子無(wú)法穿越閉合磁力線，所以只能沿著開(kāi)放的磁力線進(jìn)入到極區(qū)上空，并與極區(qū)高空大氣分子發(fā)生撞擊。碰撞就會(huì)發(fā)生能量交換，即原子有可能從基態(tài)成為激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，電子容易從高能級(jí)變回低能級(jí)，這個(gè)過(guò)程可能就會(huì)發(fā)生輻射躍遷，表現(xiàn)為釋放出光子。高層大氣主要成分為氮和氧，這些原子在被激發(fā)后，就會(huì)釋放出紅、綠、藍(lán)等不同顏色的光，也就出現(xiàn)了極光。由此可見(jiàn)，極光形成的必備要素包括太陽(yáng)風(fēng)（高能帶電粒子流）、地球磁場(chǎng)和大氣層。

極光是太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。相互作用后，注入到極區(qū)的太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子會(huì)大幅增加。地球兩極地區(qū)獲得巨大能量，隨后將能量傳遞給高層大氣，導(dǎo)致高層大氣被加熱并向低緯擴(kuò)散。相應(yīng)地，低緯度大氣也受熱膨脹，從而引起低緯地區(qū)上方衛(wèi)星軌道的大氣密度增加，會(huì)增加衛(wèi)星運(yùn)行阻力。

此外，地磁暴還會(huì)影響地球短波通信、電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)等。極光越絢麗，說(shuō)明太陽(yáng)風(fēng)中所攜帶的高能粒子越強(qiáng)，引起的地磁暴也就越強(qiáng)，對(duì)地面通信和航空航天活動(dòng)的威脅也就越大。

如何應(yīng)對(duì)地磁暴影響呢？最有效的辦法就是監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)，及時(shí)預(yù)報(bào)可能的地磁暴。太陽(yáng)活動(dòng)是有規(guī)律的，太陽(yáng)活動(dòng)具有11年左右的周期，目前正處于第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的上升期，太陽(yáng)活動(dòng)明顯增強(qiáng)，劇烈的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)也頻繁發(fā)生。不過(guò)3月份極光與巨型冕洞聯(lián)系不大，而與3月20日的一次日冕物質(zhì)拋射有密切聯(lián)系；4月份的罕見(jiàn)極光，確實(shí)是源自4月21日的冕洞高速太陽(yáng)風(fēng)和上方耀斑，及伴隨日冕物質(zhì)拋射共同作用產(chǎn)生的特大地磁暴，這也是太陽(yáng)進(jìn)入第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周以來(lái)最強(qiáng)的一次地磁暴。

雖然太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)爆發(fā)會(huì)影響地球，但有地球磁場(chǎng)的保護(hù)，有空間天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)服務(wù)，人類的正常生活還是有保障的，公眾無(wú)需焦慮。

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