明暗相隨的太陽活動:環形耀斑引起遠端日冕暗化
2020年03月28日09:32

  來源:中科院之聲

  太陽活動與空間天氣有著直接的聯繫,加強太陽活動的研究和監測對進行準確的空間天氣預報、預警和減少災害性空間天氣的損失都具有極其重要的意義。

  中國科學院紫金山天文台科研人員最近發現一種太陽耀斑引發的太陽大氣變化現象:在耀斑爆發時,耀斑所在區域沒有明顯亮度變化,但十幾萬千米之外的太陽大氣卻明顯變暗。

  這一發現將有助於我們重新審視太陽耀斑和日冕暗化這一明一暗兩種活動之間的關係,並對準確有效的空間天氣預報提供一定的理論依據。

  什麼是太陽耀斑?

  太陽耀斑是發生在太陽大氣局部區域(通常是黑子上方活動區)的一種劇烈的能量釋放過程,是太陽大氣活動的重要形式之一,也是產生災害性空間天氣的重要源頭。耀斑的能量源自太陽表面積累的磁場自由能,總能量可達約1022 – 1025焦耳(相當於1.5-1500億顆廣島原子彈同時爆炸釋放的能量),在短時間內這些能量通過一種叫磁場重聯的機製快速轉換為等離子體的熱能、動能、輻射能,並產生大量高能粒子(包括電子、質子、離子)。地面和空間的大型太陽望遠鏡可在射電、紅外、可見光一直到硬X射線全波段觀測到耀斑。

  目前人們觀測到形態比較規則的兩類耀斑包括:

  ● 雙帶耀斑。這是最常見、研究最成熟的一類耀斑。它們在太陽低層大氣呈現兩條近似平行的亮帶(見圖1),在日冕中呈現出拱形熱環(溫度可達千萬度),這些高溫磁環隨時間逐漸冷卻,持續幾十分鍾到數小時。

圖1 日本Hinode衛星觀測到的雙帶耀斑(圖片來自網絡)
圖1 日本Hinode衛星觀測到的雙帶耀斑(圖片來自網絡)

  環形耀斑。這是美國TRACE太陽探測器發現的一種特殊耀斑,在低層大氣通常由一個圓形或橢圓形亮帶和內部緻密的亮帶組成(類似於日暈,見圖2)。相對於雙帶耀斑,環形耀斑具有特殊的磁場拓撲結構,一般包含磁場零點、穿過零點的脊線和穹頂狀扇面,像個蒙古包。不過,兩種耀斑的動力學演化過程本質上沒有太大的區別。

圖2 美國 IRIS 衛星觀測到的環形耀斑圖(圖片來自網絡)
圖2 美國 IRIS 衛星觀測到的環形耀斑圖(圖片來自網絡)

  太陽大氣活動與空間天氣的關係

  太陽大氣中的各類活動彼此之間有著密切聯繫,統計研究表明,級別越大(能量越大)的耀斑越容易伴隨太陽表面的另外一類爆發活動——日冕物質拋射(CME)。顧名思義,就是指日冕中很短時間內向行星際空間拋射大量磁化等離子體的過程。這些等離子體的質量可達百億噸,速度可達一兩千千米每秒。伴隨CME發生的耀斑,稱為爆發耀斑;沒有CME伴隨發生的耀斑稱為約束耀斑。

  耀斑和CME都是太陽表面最劇烈、能量最高的爆發活動,也是產生災害性空間天氣的重要源頭。它們產生的高能輻射以及磁化等離子體經過長途跋涉,到達地球空間附近後,會對地球周圍磁場及電離層產生強烈擾動,進而對航天器、通信、導航等產生影響。

圖3 美國SDO衛星觀測到的日冕物資拋射(CME)圖(圖片來自網絡)
圖3 美國SDO衛星觀測到的日冕物資拋射(CME)圖(圖片來自網絡)

  天下萬物,陰陽相生,明暗相隨。日冕暗化就是與太陽耀斑爆發或者CME相關的另一種大尺度活動,它表現為局部日冕在極紫外和軟X射線波段輻射的快速變暗和緩慢回升(見圖4),整個過程可持續幾小時到十幾小時。暗化面積先快速擴展然後緩慢收縮,最大可達數萬平方兆米。由於輻射與當地等離子體密度平方成正比,因此日冕暗化主要是由耀斑和CME導致的密度降低引起的,因而根據日冕暗化的光譜觀測可大體估算CME帶走的物質。

  研究日冕暗化對於空間天氣預警和預報有一定的指導意義,但目前關於環形耀斑與日冕暗化的關係的研究還非常欠缺。

圖4 美國SOHO衛星觀測到的CME發生後的日冕暗化(圖像經過處理)(圖片來自網絡)
圖4 美國SOHO衛星觀測到的CME發生後的日冕暗化(圖像經過處理)(圖片來自網絡)

  新現象:環形耀斑引起遠端日冕暗化

  最近,中國科學院紫金山天文台科研人員與國內同行合作,利用美國太陽動力學天文台(SDO)衛星搭載的大氣成像儀(AIA)和日震磁像儀(HMI)的多波段觀測數據,詳細研究了2015年10月16日在編號12434的活動區發生的一個M級環形耀斑(範圍只有約4.5萬千米),發現耀斑所在區域和附近並沒有明顯的暗化,卻在距離該耀斑約18萬千米的寧靜區出現了遠端日冕暗化現象,而耀斑與遠端日冕暗化區域由大尺度閉合磁力線相連接。

  這個遠端日冕暗化演化過程大概分三個階段:首先,在耀斑硬X射線峰值時刻前數分鍾,出現僅在AIA 131埃和171埃波段可見的小而弱的暗化;之後,長而窄的遠端日冕暗化在除AIA 304埃以外的其他所有極紫外波段變得明顯,而耀斑區域本身並沒有明顯變化;大面積的暗化逐步向東南方向延伸,面積緩慢增加,最大約1.2萬平方兆米,暗化區域在171和193埃的最大相對亮度降低分別約為90%和80%(見圖5);最後,暗化面積逐漸縮小。據估算,整個演化過程持續約八小時。這些特性(面積、亮度、持續時間等)與CME引起的暗化很接近。

圖5 美國SDO衛星觀測到的環形耀斑引起遠端日冕暗化(圖像經過處理)(圖片來自網絡)
圖5 美國SDO衛星觀測到的環形耀斑引起遠端日冕暗化(圖像經過處理)(圖片來自網絡)

  該發現與以往的觀測都不太一樣,很難用現有理論做出完美解釋。遠端日冕暗化的成因很可能是連接耀斑和暗化區域的大尺度冕環膨脹導致的當地等離子體密度降低,而非溫度變化。由於該耀斑沒有伴隨CME,大面積暗化區域物質的去向還是一個未解之謎。

  研究結果發表後,科研人員又找到幾個類似事件,說明這種現象並非個例,可能普遍存在。下一步,研究人員將對這些事例進行深入細緻的分析,期望揭示遠端日冕暗化的本質。

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