太陽(yáng)活動(dòng)正走向第25個(gè)周期極大期，頻頻引發(fā)強(qiáng)烈地磁暴

罕見(jiàn)極光刷新認(rèn)知，南下趨勢(shì)或?qū)⒊掷m(xù)

近日，令人震撼的“北京極光”刷新了公眾認(rèn)知：平時(shí)要在高緯度地區(qū)方得一見(jiàn)的極光，竟頻繁光顧地處北緯40°的新疆、北京等地。而早在今年二三月份，極光就在地球中低緯度地區(qū)現(xiàn)身了。

為何今年極光如此活躍且頻頻“南下”？這與太陽(yáng)風(fēng)引起的地磁暴密切相關(guān)。由于近年太陽(yáng)活動(dòng)正走向第25個(gè)周期的極大期，未來(lái)一兩年，極光還可能多次現(xiàn)身中低緯度地區(qū)。

據(jù)中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心統(tǒng)計(jì)，今年地球已發(fā)生了7次大地磁暴級(jí)別的地磁活動(dòng)，分別是在2月27日、3月23日、3月24日、4月23日、4月24日、9月19日和12月1日。其中，發(fā)生于3月23日至24日間的特大地磁暴，是近六年來(lái)的最大地磁暴。地磁暴從低到高共分為G1到G5五個(gè)等級(jí)，而這次達(dá)到了G4級(jí)，導(dǎo)致極光“南下”至諸如美國(guó)新墨西哥州等緯度較低的地區(qū)。

整整一個(gè)月后，地球又經(jīng)歷了一次同等規(guī)模的地磁暴，它在英國(guó)東南部、美國(guó)加利福尼亞州，以及我國(guó)新疆等偏低緯度地區(qū)再次制造了極光美景。

太陽(yáng)風(fēng)暴為地球帶來(lái)的不僅僅是極光這種視覺(jué)盛宴，也會(huì)給無(wú)線通訊、人造衛(wèi)星、空間站航天員安全帶來(lái)威脅。在欣賞美麗極光的同時(shí)，人類(lèi)更要密切關(guān)注太陽(yáng)活動(dòng)，做好空間天氣預(yù)測(cè)與預(yù)警，及時(shí)予以應(yīng)對(duì)。

人類(lèi)家園

漂浮于雙重磁化“氣泡”中

太陽(yáng)是離人類(lèi)最近的一顆恒星。日常人們所見(jiàn)的“太陽(yáng)”，其實(shí)是這顆恒星的光球?qū)印Ｈ祟?lèi)對(duì)太陽(yáng)的了解是一個(gè)逐級(jí)深入的過(guò)程：先是從光球?qū)友由斓搅松驅(qū)雍腿彰?，而后隨著美國(guó)天體物理學(xué)家尤金·帕克所預(yù)言的太陽(yáng)風(fēng)得到觀測(cè)證實(shí)，人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)知邊界又?jǐn)U展到整個(gè)日球?qū)印?/p>

太陽(yáng)是一顆磁化恒星，日球?qū)泳褪怯商?yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)的影響范圍所構(gòu)成的巨大包絡(luò)層。在日球?qū)觾?nèi)，太陽(yáng)是空間環(huán)境的絕對(duì)主導(dǎo)者。在日球?qū)舆吔缣帲?yáng)風(fēng)向外吹的壓力與來(lái)自星際介質(zhì)的壓力相平衡，于是太陽(yáng)風(fēng)就在這里停滯，形成所謂的日球?qū)禹敗?/p>

2012年，美國(guó)“旅行者一號(hào)”探測(cè)器穿越了太陽(yáng)風(fēng)和星際介質(zhì)交界的位置，人類(lèi)由此第一次確定日球的邊界位于距離太陽(yáng)核心約140個(gè)天文單位(太陽(yáng)和地球之間的距離為1個(gè)天文單位)地方。

在宇宙空間中，日球?qū)酉駛€(gè)透明的橢球狀大氣泡。正是這個(gè)“大氣泡”阻擋了絕大部分宇宙線進(jìn)入太陽(yáng)系，也構(gòu)成了人類(lèi)防范宇宙線的第一道安全屏障。

人類(lèi)的家園——地球就是一顆在日球?qū)酉到y(tǒng)中起伏波動(dòng)，并與這個(gè)系統(tǒng)發(fā)生著電磁相互作用的行星。形象地說(shuō)，地球就像一葉扁舟，每時(shí)每刻都處在快速流動(dòng)的磁化等離子體環(huán)境中。

幸運(yùn)的是，我們還有一個(gè)由地球磁場(chǎng)在地球周?chē)纬傻摹靶馀荨睂⑻?yáng)風(fēng)阻擋在外，這就是地球磁層。如果沒(méi)有這個(gè)“小氣泡”的存在，地球大氣早就被太陽(yáng)風(fēng)吹走了。同時(shí)，地球磁層還進(jìn)一步阻擋了宇宙線和太陽(yáng)高能粒子對(duì)人類(lèi)的傷害，構(gòu)成保護(hù)人類(lèi)安全的第二道屏障。

日冕物質(zhì)拋射

沖向地球的太陽(yáng)“噴嚏”

然而，地球磁層這個(gè)“小氣泡”略有缺陷，即在兩極呈漏斗狀。而且，在朝向太陽(yáng)的一面，地球磁場(chǎng)經(jīng)常會(huì)與來(lái)自太陽(yáng)的磁場(chǎng)發(fā)生磁場(chǎng)重聯(lián)——通俗來(lái)講，這個(gè)過(guò)程就好像將地球磁層“撕”開(kāi)一個(gè)口子，太陽(yáng)風(fēng)粒子以及在此過(guò)程中被加速的高能粒子，會(huì)從這個(gè)口子進(jìn)入并沿著漏斗狀的地球磁層極尖區(qū)下降，與大氣碰撞，形成日側(cè)(白晝一側(cè)的)極光。

地球磁層的磁力線被“撕”開(kāi)后，隨著太陽(yáng)風(fēng)的吹拂來(lái)到夜晚一側(cè)，形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的磁場(chǎng)“尾巴”，這就是地球磁尾。在磁尾中，相反方向的磁力線進(jìn)一步重聯(lián)，從而讓更多高能粒子沿著磁力線沉降，進(jìn)入地球大氣，形成夜側(cè)(夜晚一側(cè)的)極光。

這些過(guò)程往往伴隨著地球磁層環(huán)電流的增強(qiáng)以及地磁場(chǎng)的減弱、紊亂，也就是通常所說(shuō)的磁暴過(guò)程。從極光形成的過(guò)程可以得知，形成高等級(jí)磁暴有兩個(gè)必要條件：一是來(lái)自太陽(yáng)的磁場(chǎng)正好擊中了地球磁層頂；二是來(lái)襲的太陽(yáng)磁場(chǎng)具有與磁層頂磁場(chǎng)相反的方向。

物質(zhì)能夠攜帶磁場(chǎng)撞向地球的情況有兩種：一是太陽(yáng)活動(dòng)期間產(chǎn)生的日冕物質(zhì)拋射，二是來(lái)自太陽(yáng)冕洞的高速太陽(yáng)風(fēng)。在冕洞之中，磁力線呈開(kāi)放狀態(tài)，太陽(yáng)風(fēng)沿著開(kāi)放磁力線傳播，以兩倍于太陽(yáng)風(fēng)平均速度的速度釋放帶電粒子。當(dāng)這些快速流動(dòng)的太陽(yáng)風(fēng)追上速度較慢的太陽(yáng)風(fēng)，就會(huì)相互擠壓，增強(qiáng)它們之間的磁場(chǎng)。當(dāng)這種擠壓區(qū)域掃過(guò)地球，就可能產(chǎn)生地磁暴。

通常來(lái)說(shuō)，源自日冕洞的地磁暴會(huì)有在數(shù)小時(shí)內(nèi)逐漸上升的過(guò)程，并且不像日冕物質(zhì)拋射引起的風(fēng)暴那么嚴(yán)重，故而強(qiáng)磁暴大多由日冕物質(zhì)拋射引起。

日冕物質(zhì)拋射是指等離子體攜帶著磁場(chǎng)從太陽(yáng)日冕中釋放到行星際空間的過(guò)程，就好像太陽(yáng)打了個(gè)噴嚏，使用日冕儀可以觀測(cè)到這一過(guò)程。如果日冕物質(zhì)拋射朝向地球，這些等離子體和磁場(chǎng)將嚴(yán)重?cái)_動(dòng)地球磁層及高層大氣，引發(fā)地磁暴，進(jìn)而阻斷通訊，降低導(dǎo)航精度，損壞人造衛(wèi)星和地面電力系統(tǒng)。

為此，人類(lèi)已建立起空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)地磁暴進(jìn)行預(yù)報(bào)。例如，在12月1日的極光出現(xiàn)之前，中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心就提前一天發(fā)出預(yù)報(bào)：11月30日、12月1日和2日這三天，可能出現(xiàn)地磁暴活動(dòng)，其中12月1日可能發(fā)生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，預(yù)計(jì)地磁活動(dòng)將延續(xù)至12月2日。

與此同時(shí)，該中心還發(fā)出提醒：空間站可能因大氣拖拽造成軌道高度下降，衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備誤差增大，航空飛行將面臨通訊環(huán)境變差和跨極區(qū)輻射的雙重風(fēng)險(xiǎn)；而公眾，尤其是信鴿玩家和極光愛(ài)好者，未來(lái)幾天要時(shí)刻注意空間天氣信息。

多彩極光

高能電子踏出霓虹“足印”

“極光”一詞源于羅馬神話中的織架女神“歐若拉”，代表旭日東升前的黎明。中文名稱(chēng)“極光”表示這一現(xiàn)象經(jīng)常在兩極看到。但是，在一些極端情況下，低緯地區(qū)甚至赤道地區(qū)也能看到極光。出現(xiàn)在低緯地區(qū)的極光多為紅色，而高緯地區(qū)多見(jiàn)綠色或黃綠色極光，此外還有較為罕見(jiàn)的粉紅色、紫色、藍(lán)色極光。

極光的顏色是如何形成的？原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。極光是由從地球磁層闖入的高能粒子以高達(dá)每秒2萬(wàn)千米的速度撞擊地球高層大氣而引起的。在這一過(guò)程中，這些以電子為主體的高能粒子就會(huì)激發(fā)氣體原子和分子并產(chǎn)生極光。這與霓虹燈的工作原理十分類(lèi)似：當(dāng)分子和原子被電子激發(fā)到高能量狀態(tài)的激發(fā)態(tài)時(shí)，它們必須返回到其原始能量的基態(tài)，并通過(guò)釋放光子的形式來(lái)釋放能量。

就像霓虹燈的顏色取決于管內(nèi)的氣體混合物一樣，極光的顏色取決于大氣中的氣體組分。

在地面上空200千米以上，高能電子首先遇到的是一層富含氧原子的大氣，它們與這些氧原子碰撞，將氧原子賦能到激發(fā)態(tài)。由于大氣密度隨著高度的上升而迅速衰減，200千米以上高空的大氣十分稀薄，因此這些被激發(fā)的氧原子與其它原子發(fā)生碰撞的概率非常小，這就使它們可以在釋放光子之前跑出相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，于是這一層的極光就呈現(xiàn)出云霧狀的彌散形態(tài)。

這些被激發(fā)的氧原子釋放出淡紅色的光芒，構(gòu)成極光的最高層。所以，即使磁緯度較低的我國(guó)北方地區(qū)，有時(shí)也可以在北方地平線上觀測(cè)到這一抹淡紅。這也是為何低緯度地區(qū)出現(xiàn)的極光大多是紅色。此外，低緯度地區(qū)出現(xiàn)的極光往往發(fā)生在特大磁暴期間，此時(shí)的紅色極光較為明亮，更容易被人眼察覺(jué)。

當(dāng)高能電子繼續(xù)沉降來(lái)到距地面100至200千米之間的中層大氣時(shí)，這里的大氣密度逐漸升高，氧原子和氮分子逐漸增多。在中層大氣，高能電子激發(fā)的仍然主要是氧原子，但由于環(huán)境的改變，這里的氧原子主要釋放出黃綠色的光子，因此在這一層，極光往往呈現(xiàn)黃綠色。這種極光不僅亮度較高，而且由于人眼對(duì)于綠色更為敏感，因此黃綠色成為高緯度地區(qū)最常見(jiàn)的極光顏色。由于黃綠色極光源區(qū)的大氣密度更高，粒子碰撞頻繁，且氧原子激發(fā)態(tài)的維持時(shí)間較短，因此這種極光可以大致勾勒出高能電子沿著磁力線落入大氣的位置。這些攜帶高能電子的磁力線在磁層活動(dòng)中不斷改變形態(tài)，于是黃綠色的極光帶也隨之變幻萬(wàn)千，如同天神舞動(dòng)的裙擺。

一般強(qiáng)度的太陽(yáng)活動(dòng)所產(chǎn)生的極光，往往到黃綠色就結(jié)束了。但當(dāng)我們遇上一次十分猛烈的太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)，磁層內(nèi)的電子就會(huì)被加速到很高的能量狀態(tài)，穿過(guò)中高層大氣的層層阻擋，來(lái)到80千米以下的濃密大氣層。在這里，原子態(tài)的氧極其稀少，因此不能作為發(fā)光的主要物質(zhì)。但這里的氮分子足夠密集，足以發(fā)出可觀強(qiáng)度的光芒，于是就成了極光的主導(dǎo)發(fā)光物質(zhì)。氮分子及其離子被激發(fā)后，幾乎瞬間就會(huì)釋放出光子，在空中留下粉色、紫色、洋紅色，甚至藍(lán)色的印跡。這些是極光的最低層，是高能電子在地球大氣中踏下的最深“足印”。

太陽(yáng)黑子活動(dòng)

強(qiáng)磁暴的唯一源頭？

既然強(qiáng)磁暴多數(shù)由日冕物質(zhì)拋射引起，那么日冕物質(zhì)拋射又來(lái)自何方？其實(shí)，它主要來(lái)自太陽(yáng)黑子。雖然太陽(yáng)看上去很穩(wěn)定，但太陽(yáng)大氣實(shí)際上非?；钴S，其標(biāo)志就是大家所熟知的、具有11年周期的太陽(yáng)黑子活動(dòng)。

太陽(yáng)黑子是強(qiáng)磁場(chǎng)聚集地，一個(gè)或數(shù)個(gè)太陽(yáng)黑子就構(gòu)成了太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)，其中經(jīng)常發(fā)生爆發(fā)性活動(dòng)，包括太陽(yáng)大氣中突發(fā)的太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射等。

太陽(yáng)耀斑是在太陽(yáng)大氣局部區(qū)域發(fā)生的能量釋放現(xiàn)象，可在太陽(yáng)色球和日冕像中觀測(cè)到顯著的局部增亮。一次典型的大耀斑能釋放出高達(dá)1025焦耳的能量，相當(dāng)于十幾億顆核彈同時(shí)爆炸所釋放的能量。

耀斑和日冕物質(zhì)拋射有較密切的關(guān)聯(lián)，大的耀斑往往伴發(fā)日冕物質(zhì)拋射。由此，我們得出一個(gè)印象，強(qiáng)磁暴均與太陽(yáng)黑子活動(dòng)相關(guān)。我國(guó)古代關(guān)于黑子和極光的文獻(xiàn)記錄分別有100多次。從這些記錄中可以發(fā)現(xiàn)，極光通常發(fā)生在太陽(yáng)黑子多的時(shí)期。例如，1859年9月，地球上曾發(fā)生過(guò)一次超級(jí)大極光，在該事件前后幾年間，我國(guó)古代文獻(xiàn)中就有好幾條黑子記錄?，F(xiàn)代科學(xué)家經(jīng)常用樹(shù)干上一層一層年輪中的碳-14含量來(lái)獲知遠(yuǎn)古時(shí)代的太陽(yáng)活動(dòng)水平。因?yàn)?，在太?yáng)黑子極小期，由于日球?qū)又械拇艌?chǎng)減弱，它們對(duì)宇宙射線的阻擋也會(huì)同步減弱，地球大氣因此會(huì)受到更多宇宙射線轟擊，在地球大氣層中產(chǎn)生更多的碳-14。

在幾個(gè)太陽(yáng)黑子極小期，我國(guó)關(guān)于黑子和極光的古代文獻(xiàn)記錄均相對(duì)較少；而在太陽(yáng)中世紀(jì)極大期，文獻(xiàn)記錄的黑子極光出現(xiàn)數(shù)量則呈現(xiàn)出一個(gè)高峰。

不過(guò)，有一件事頗耐人尋味。公元762年的前200年和后100年間，古代文獻(xiàn)中幾乎沒(méi)有黑子記錄，這說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)處于一個(gè)較長(zhǎng)跨度的極小期，我國(guó)有學(xué)者曾將其命名為“唐朝黑子極小期”。而在此期間，文獻(xiàn)中卻散落著一些極光記錄，尤其是公元762年，這一年竟集中出現(xiàn)了5條不同時(shí)間的紅色極光記錄。這是否意味著，太陽(yáng)黑子活動(dòng)并不是強(qiáng)磁暴的唯一源頭？這個(gè)推測(cè)或許要等下一次類(lèi)似的極小期出現(xiàn)，才能得到驗(yàn)證。而我國(guó)天文學(xué)家也正從這一疑點(diǎn)出發(fā)，探尋著更多的太陽(yáng)未知之謎。(文匯報(bào))

(作者季海生 滕偉霖分別為中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員、博士研究生)

來(lái)源：文匯報(bào)