地球出現絢麗極光太陽“外衣”“漏”了一個洞？

鄭瑞生

3月23日，我國風云衛星E星觀測到太陽表面突然出現一個巨型“黑洞”；隨后，地球上出現了絢麗的極光現象。4月21日，我國風云衛星E星再次觀測到太陽南極附近的巨型“黑洞”；4月24日，地球上再次出現絢麗的極光現象。這次極光罕見地在我國新疆維吾爾自治區被觀測到。那么，太陽上的“黑洞”是怎么回事？它與地球極光之間又有什么聯系呢？

太陽的“外衣”

要想知道太陽上的“黑洞”究竟是怎么回事，首先得了解一下太陽的大氣層。與地球類似，太陽上也有大氣。我們日常肉眼觀看（安全前提下）太陽所見到的“圓盤”，就是其大氣層底部，稱為“光球層”，厚度約500千米。光球對太陽內部的輻射是不透明的，所以我們觀測到的太陽可見光輻射主要來自光球。

地面太陽望遠鏡用氫（太陽上約90%都是氫）阿爾法譜線觀測，看到的是太陽光球層上方的色球層，厚度約2000千米。色球層的可見光輻射僅為光球輻射的幾千分之一，因而肉眼看不到色球層。色球層再往上，有一個高度動態的薄層，其厚度會隨時間和空間迅速變化，稱為“過渡區”。過渡區之上，就是太陽大氣的最外層，即日冕。

同樣，相比于光球的可見光輻射，日冕的白光輻射微乎其微（百萬分之一），所以在地面上對日冕的觀測，主要集中在日全食時刻。后來科學家發明了人造日食儀器——日冕儀，對日冕的觀測就可以隨時進行了。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：日冕層物質極其稀疏，非常透明，沒有明確的外邊界，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直徑的幾倍到幾十倍，而且是動態的，在太陽活動極大年和極小年，日冕呈現出圓形和橢圓形，就像太陽的“外衣”。日冕是太陽大氣與行星際空間關系最密切的部分，像太陽的觸手一樣可以直接擾動近地空間環境。

日全食階段，我們從可見光波段觀測到的是向外延伸很遠的日冕，表現為大尺度的閉合冕環和無限延伸的開放磁力線。那低處日冕的結構如何呢？我們要觀測這些日冕結構的底部，也就是扎根在太陽表面的腿部，就需要空間衛星或探空火箭了。因為日冕的主要輻射集中在極紫外和軟X射線波段，這些輻射會被地球大氣吸收。得益于空間科技的發展，我們現在可以瀏覽日冕的衛星實時觀測圖像，而且能看到的細節也越來越多。

太陽“外衣”上的“黑洞”

在低日冕（日冕底部到0.5個太陽半徑高度）的衛星圖像上，我們可以看到豐富而復雜的大氣結構，比可見光波段的太陽有趣多了。我們看到的明亮區域，也就是活動區。這些活動區由一系列的低冕環聚集而成，是太陽上磁場最密集、存儲能量最多的區域。在活動區周圍，分布著一些較暗的高冕環，密度相對來說也較低，亮度比較弱，這就是寧靜區。除了活動區與寧靜區外，低日冕還有一個顯著的結構，就是比寧靜區更暗，看起來像“黑洞”一樣的區域，科學家稱之為“冕洞”。

在活動區周圍，分布著一些較暗的高冕環，密度相對來說也較低，亮度比較弱，這就是寧靜區。除了活動區與寧靜區外，低日冕還有一個顯著的結構，就是比寧靜區更暗，看起來像“黑洞”一樣的區域，科學家稱之為“冕洞”。

冕洞代表了日冕底部低密度和低溫度區域，主要是活動區衰退和擴散的結果。冕洞能夠長久地存在于太陽表面，持續時間大概數天到數月，有時候會隨著太陽的自轉周而復現。另外，冕洞的形狀是多種多樣的，有大有小，有規則圖形也有不規則圖案。冕洞主要分布在太陽的南北極區，偶爾也會延伸到低緯區域甚至赤道附近，形成“象鼻”冕洞。

太陽內部無時無刻不在進行著核聚反應，產生光和熱、釋放大量能量，必定會引起日冕的膨脹。科學家發現，整個日冕層會源源不斷地向外膨脹擴散，發射出穩定的粒子流，將太陽上的等離子體吹向行星際空間，產生穩定持續的太陽風，所以整個太陽系包括地球都浸泡在持續的背景太陽風中。這些背景太陽風的平均速度為300～500千米/秒，但是觀測上經常發現一些速度在500～800千米/秒的高速太陽風。這些高速太陽風的源頭在哪兒？

冕洞是開放磁力線集中的區域，這些磁力線一端扎根在太陽表面，另一端則延伸到行星際空間中。由于冕洞區域的密度更低，磁場強度也更弱，于是這里的物質可以更容易地向外逃離。基于美國“天空實驗室”上的觀測數據，科學家已證實速度在450～850千米/秒的快速太陽風就發源于冕洞之中。所以說，冕洞是高速太陽風的主要源頭，就像太陽“外衣”上的“風洞”。沒有閉合冕環的束縛，“風洞”吹出來的太陽風速度肯定要更快一些。

地球磁場提供保護

高速太陽風攜帶著大量帶電粒子，經過近地空間，會與地球磁場發生相互作用。地球磁場會在短時間內發生劇烈的變化，如果地磁場的變化幅度超過一定數值，就發生了地磁暴。地球磁場，是由中低緯地區的閉合磁力線和高緯地區的開放磁力線組成的，是地球生命的“保護傘”。

太陽風的帶電粒子無法穿越閉合磁力線，所以只能沿著開放的磁力線進入到極區上空，并與極區高空大氣分子發生撞擊。碰撞就會發生能量交換，即原子有可能從基態成為激發態，而激發態是不穩定的，電子容易從高能級變回低能級，這個過程可能就會發生輻射躍遷，表現為釋放出光子。高層大氣主要成分為氮和氧，這些原子在被激發后，就會釋放出紅、綠、藍等不同顏色的光，也就出現了極光。由此可見，極光形成的必備要素包括太陽風（高能帶電粒子流）、地球磁場和大氣層。

極光是太陽風與地球磁層相互作用產生的一種自然現象。相互作用后，注入到極區的太陽風帶電粒子會大幅增加。地球兩極地區獲得巨大能量，隨后將能量傳遞給高層大氣，導致高層大氣被加熱并向低緯擴散。相應地，低緯度大氣也受熱膨脹，從而引起低緯地區上方衛星軌道的大氣密度增加，會增加衛星運行阻力。

此外，地磁暴還會影響地球短波通信、電網和油氣管網等。極光越絢麗，說明太陽風中所攜帶的高能粒子越強，引起的地磁暴也就越強，對地面通信和航空航天活動的威脅也就越大。

如何應對地磁暴影響呢？最有效的辦法就是監測太陽活動，及時預報可能的地磁暴。太陽活動是有規律的，太陽活動具有11年左右的周期，目前正處于第25個太陽活動周的上升期，太陽活動明顯增強，劇烈的太陽爆發活動也頻繁發生。不過3月份極光與巨型冕洞聯系不大，而與3月20日的一次日冕物質拋射有密切聯系；4月份的罕見極光，確實是源自4月21日的冕洞高速太陽風和上方耀斑，及伴隨日冕物質拋射共同作用產生的特大地磁暴，這也是太陽進入第25個太陽活動周以來最強的一次地磁暴。

雖然太陽風和太陽爆發會影響地球，但有地球磁場的保護，有空間天氣的監測和預報服務，人類的正常生活還是有保障的，公眾無需焦慮。

◎ 來源|光明日報