地球出现绚丽极光，因为太阳的“外衣”“漏”了一个洞？

作者：郑瑞生（山东大学空间科学研究院教授）3月23日 ，外衣我国风云卫星E星观测到太阳表面突然出现一个巨型“黑洞”；随后，地球的漏地球上出现了绚丽的出现极光现象。4月21日 ，绚丽我国风云卫星E星再次观测到太阳南极附近的极光巨型“黑洞”；4月24日，地球上再次出现绚丽的太阳极光现象。这次极光罕见地在我国新疆维吾尔自治区被观测到。个洞那么 ，外衣太阳上的地球的漏“黑洞”是怎么回事
 ？它与地球极光之间又有什么联系呢？风云三号E星拍摄到的太阳冕洞。国家空间天气监测预警中心供图1、出现太阳的绚丽“外衣”要想知道太阳上的“黑洞”究竟是怎么回事，首先得了解一下太阳的极光大气层。与地球类似，太阳太阳上也有大气。个洞我们日常肉眼观看（安全前提下）太阳所见到的外衣“圆盘” ，就是其大气层底部 ，称为“光球层”，厚度约500千米。光球对太阳内部的辐射是不透明的，所以我们观测到的太阳可见光辐射主要来自光球。地面太阳望远镜用氢（太阳上约90%都是氢）阿尔法谱线观测，看到的是太阳光球层上方的色球层，厚度约2000千米 。色球层的可见光辐射仅为光球辐射的几千分之一
，因而肉眼看不到色球层。色球层再往上，有一个高度动态的薄层，其厚度会随时间和空间迅速变化，称为“过渡区” 。过渡区之上，就是太阳大气的最外层，即日冕。同样，相比于光球的可见光辐射，日冕的白光辐射微乎其微（百万分之一） 
，所以在地面上对日冕的观测，主要集中在日全食时刻。后来科学家发明了人造日食仪器——日冕仪，对日冕的观测就可以随时进行了 。借助日全食阶段拍摄的日冕白光照片，我们可以清楚地看到 ：日冕层物质极其稀疏，非常透明 ，没有明确的外边界，可以向外一直延伸到行星际空间里 。日冕的范围可以延伸到太阳直径的几倍到几十倍，而且是动态的，在太阳活动极大年和极小年 ，日冕呈现出圆形和椭圆形，就像太阳的“外衣”。日冕是太阳大气与行星际空间关系最密切的部分，像太阳的触手一样可以直接扰动近地空间环境。日全食阶段，我们从可见光波段观测到的是向外延伸很远的日冕 
，表现为大尺度的闭合冕环和无限延伸的开放磁力线。那低处日冕的结构如何呢？我们要观测这些日冕结构的底部，也就是扎根在太阳表面的腿部
，就需要空间卫星或探空火箭了。因为日冕的主要辐射集中在极紫外和软X射线波段，这些辐射会被地球大气吸收 。得益于空间科技的发展 ，我们现在可以浏览日冕的卫星实时观测图像 ，而且能看到的细节也越来越多 。2、冕洞 ，太阳“外衣”上的“黑洞”在低日冕（日冕底部到0.5个太阳半径高度）的卫星图像上，我们可以看到丰富而复杂的大气结构
，比可见光波段的太阳有趣多了。我们看到的明亮区域，也就是活动区。这些活动区由一系列的低冕环聚集而成 ，是太阳上磁场最密集，存储能量最多的区域。在活动区周围 ，分布着一些较暗的高冕环 ，密度相对来说也较低
，亮度比较弱，这就是宁静区 。除了活动区与宁静区外，低日冕还有一个显著的结构 ，就是比宁静区更暗，看起来像“黑洞”一样的区域，科学家称之为“冕洞”。冕洞代表了日冕底部低密度和低温度区域
，主要是活动区衰退和扩散的结果。冕洞能够长久地存在于太阳表面 ，持续时间大概数天到数月，有时候会随着太阳的自转周而复现。另外，冕洞的形状是多种多样的，有大有小 ，有规则图形也有不规则图案 。冕洞主要分布在太阳的南北极区
 ，偶尔也会延伸到低纬区域甚至赤道附近 ，形成“象鼻”冕洞
。太阳内部无时无刻地进行着核聚反应 ，产生光和热 、释放大量能量，必定会引起日冕的膨胀。科学家发现，整个日冕层会源源不断地向外膨胀扩散 ，发射出稳定的粒子流 ，将太阳上的等离子体吹向行星际空间，产生稳定持续的太阳风
 ，所以整个太阳系包括地球都浸泡在持续的背景太阳风中。这些背景太阳风的平均速度为300～500千米/秒，但是观测上经常发现一些速度在500～800千米/秒的高速太阳风 。这些高速太阳风的源头在哪儿？冕洞是开放磁力线集中的区域，这些磁力线一端扎根在太阳表面
，另一端则延伸到行星际空间中 。由于冕洞区域的密度更低，磁场强度也更弱 ，于是这里的物质可以更容易地向外逃离。基于美国“天空实验室”上的观测数据 ，科学家已证实速度在450～850千米/秒的快速太阳风就发源于冕洞之中 。所以说，冕洞是高速太阳风的主要源头，就像太阳“外衣”上的“风洞”。没有闭合冕环的束缚 ，“风洞”吹出来的太阳风速度肯定要更快一些 。3、对抗冕洞太阳风 ，地球磁场为我们提供保护高速太阳风携带着大量带电粒子，经过近地空间，会与地球磁场发生相互作用。地球磁场会在短时间内发生剧烈的变化 ，如果地磁场的变化幅度超过一定数值 ，就发生了地磁暴。地球磁场，是由中低纬地区的闭合磁力线和高纬地区的开放磁力线组成的，是地球生命的“保护伞”。太阳风的带电粒子无法穿越闭合磁力线，所以只能沿着开放的磁力线进入到极区上空 ，并与极区高空大气分子发生撞击
。碰撞就会发生能量交换 ，即原子有可能从基态成为激发态，而激发态是不稳定的，电子容易从高能级变回低能级 ，这个过程可能就会发生辐射跃迁，表现为释放出光子。高层大气主要成分为氮和氧，这些原子在被激发后，就会释放出红、绿 、蓝等不同颜色的光，也就出现了极光
。由此可见 ，极光形成的必备要素包括太阳风（高能带电粒子流） 、地球磁场和大气层。极光是太阳风与地球磁层相互作用产生的一种自然现象
。相互作用后 ，注入到极区的太阳风带电粒子会大幅增加。地球两极地区获得巨大能量，随后将能量传递给高层大气，导致高层大气被加热并向低纬扩散。相应地
，低纬度大气也受热膨胀，从而引起低纬地区上方卫星轨道的大气密度增加，会增加卫星运行阻力 。此外
，地磁暴还会影响地球短波通信
、电网和油气管网等
。极光越绚丽，说明太阳风中所携带的高能粒子越强 ，引起的地磁暴也就越强 ，对地面通信和航空航天活动的威胁也就越大。如何应对地磁暴影响呢？最有效的办法就是监测太阳活动，及时预报可能的地磁暴。太阳活动是有规律的，太阳活动具有11年左右的周期，目前正处于第25个太阳活动周的上升期 ，太阳活动明显增强，剧烈的太阳爆发活动也频繁发生。不过3月份极光与巨型冕洞联系不大，而与3月20日的一次日冕物质抛射有密切联系；4月份的罕见极光，确实是源自4月21日的冕洞高速太阳风和上方耀斑，及伴随日冕物质抛射共同作用产生的特大地磁暴，这也是太阳进入第25太阳活动周以来最强的一次地磁暴 
。虽然太阳风和太阳爆发会影响地球，但有地球磁场的保护，有空间天气的监测和预报服务，人类的正常生活还是有保障的，公众无需焦虑。《光明日报》（ 2023年05月11日 16版）来源：光明网-《光明日报》举报/反馈

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