引发太阳愤怒的罪魁祸首——耀斑究竟是什么?

2019年01月03日
文图/郑建川
本文选自《知识就是力量》杂志
 
我们都知道太阳耀斑爆发会对地球的电子设备影响,但这仅仅是一种普通的太阳活动,每间隔大约11年就要爆发一次。而耀斑的生命周期是非常短暂的,仅仅维持在几分钟到几十分钟之间。
201796日晚上1953分,太阳爆发的X9.3级耀斑刷爆了朋友圈。这是自2005年以来,太阳最强的一次爆发活动。那么,到底什么是耀斑?它是怎么产生的?会给我们的生活造成什么影响?今天,就让我们一起来揭开耀斑的神秘面纱。
一、什么是耀斑?
耀斑是太阳大气中发生的最强烈的爆发现象。从观测上来说,耀斑一般是指太阳通过磁重联脉冲式释放磁能的现象,它是几分钟到几小时之内电磁波辐射增强的过程。在这个过程中,磁能转化成粒子能量、热、波和运动。
那么,耀斑的强度有多大?按照GOES卫星观测到的1(埃,波长单位,1Å=10-10m)软X-射线峰值流量的量级,将耀斑分成了ABCMX五类。
X9.3级表示软X-射线峰值流量为9.3×10-4 Watts·m-2(瓦/平方米)。不要小看这个量,10的负4次方看上去是一个很小的量,但是请注意,这只是卫星在单位面积单位时间内接收到的能量。如果用这个量乘上以日地距离为半径的立体角的面积,那么这个耀斑爆发的能量则相当于几千亿颗百万当量的氢弹爆炸!
二、耀斑是怎么形成的?
基本上所有的太阳活动都是磁活动,都和磁场相关,而太阳黑子是太阳上的强磁场区,耀斑多发生在黑子面积较大和磁场结构复杂的活动区中。当日面上有很多黑子时,更容易出现面积大以及磁场结构复杂的黑子,所以此时更容易发生耀斑。
太阳黑子有大约11年的变化周期,我们现在正处在第24太阳周的下降阶段(第24太阳周从2008年开始),因而今年以来,日面上太阳黑子都比较少,甚至出现了连续几天都没有太阳黑子的情况。但是,2017830日在日面东边出现了编号为AR 12673AR 12674的两个大活动区,并且AR 12673演化得越来越复杂,在演化过程中还爆发了大量的C级、M级耀斑,96日甚至爆发了12年以来最强X9.3级耀斑。
根据电磁辐射在不同波段随时间的变化,一般可以把耀斑过程分为四个阶段:前相、脉冲相、闪相和下降相。耀斑前相时,可以在软X-射线和EUV波段看到耀斑区域中日冕等离子体开始缓慢加热;大量高能电子(有些事件中也会有离子)在脉冲相加速,绝大部分能量被释放,硬X-射线在这个波段的辐射是最为显著的,软X-射线辐射和Hα(氢的一条谱线)辐射在脉冲相后达到最大;Hα辐射强度迅速增加的阶段叫闪相;在下降相,除了一些高日冕区域的等离子体因日冕磁场重构而被加速和抛射,大多数日冕等离子体基本下落到原来的位置。
三、耀斑会造成什么影响?
太阳稳定的光和热是地球生命必不可少的,但是太阳活动会扰动地球附近的空间环境,最明显的就是太阳耀斑发射的高能粒子流会对宇航员甚至高空飞行客机中的乘客造成损害,并损害航天器件。
太阳耀斑产生的射电暴会直接影响手机信号。伴随耀斑发生的日冕物质抛射(CMEs)中的带电粒子撞击地球,则会引起电力系统瘫痪。最著名的就是1989年的魁北克电力瘫痪事件,一些加拿大人甚至连续6天都得不到电力供给。
飞机航线也会受到影响。国际航班每年有成千上万的乘客飞过地球的两极,例如纽约和东京、北京和芝加哥之间的最短航班就通过北极。耀斑爆发对极区有很大的影响,当飞机在耀斑爆发期间飞越极区时,会发生无线电中断和导航误差。要避开这些影响,航道就得避开极区,从而造成航行时间的加长,同时也带来巨大的经济损失。
当然,越多的耀斑爆发也意味着出现更多的极光——地球上最漂亮的现象之一。相信不久之后,随着太阳物理研究的深入以及空间天气预报精准度的提升,生活在不同纬度的爱好者都可以及时获知极光出现的信息。
本文来源:知识就是力量公众号