互动科普

高悬于我们头顶的耀眼的太阳，时不时会出现耀斑、日珥和日冕物质抛射等动人心弦的现象。让我们一起来欣赏由NASA的观测卫星近期拍摄的太阳图像吧。

图1.该图为2014年3月5日由美国航天局（NASA）的太阳动力学观测台（SDO）所拍摄的太阳。图像右下角为与太阳同比例尺下的地球。该图主要是在日冕放射出的、肉眼无法直接看到的极紫外波段进行观测所得。

实际上，太阳的直径为地球直径的109倍。

我们平时所见到的是太阳的光球层。在光球层的外侧，是与之共同组成太阳大气层的色球层和日冕层。在这些层之中，氦原子和氮原子以高温的等离子体（原子核和电子分离开的状态）的形式存在。这些等离子体沿着太阳产生的磁场线（假想出来的描绘磁场分布的线）流动，形成一圈圈的环状构造（日冕环）。环状构造被扭曲时，能量便积蓄起来，在能量被释放时，剧烈的爆发（耀斑）便会产生（后文将详细介绍）。在耀斑中，100万～200万摄氏度左右的日冕常常被加热至数千万摄氏度。

图2.太阳黑子出现的区域，太阳活动剧烈

图中太阳的右下区域闪耀得格外明亮。这是由太阳上剧烈的爆发（耀斑）所造成的。该图由SDO在2014年12月19日拍摄。耀斑的强度由低到高被分为A、B、C、M、X五个等级。图中的耀斑为X级。

上图由两幅在不同波段观测所得的图像合成。图像右下方爆发着耀斑的区域正喷射出青白色光的气体，表明该区域的温度非常高（约1000万摄氏度）。

位于图中左上方的是在同日拍摄的可见光波段的太阳。我们可以看到发生剧烈爆发的右下区域有黑色的斑点，这被称为太阳黑子。

太阳本身是个巨大的磁体。通常，密集的磁场线主要都在太阳内部运动。由等离子体构成的太阳，表层的自转速度在不同纬度也各不相同。越是靠近赤道的低纬度区域其自转越快，而越是接近两极则越慢。于是，在太阳内部穿行的磁场线受到低纬度区域快速自转的牵引而慢慢缠绕太阳（参照下方的假想图）。最终，紧紧缠绕的磁场线有一部分冲出了太阳表面，我们便可以在这个区域观测到黑子。

冲到太阳大气之中剧烈扭曲的磁场线有时会和附近的磁场线发生磁重联，致使磁场中的能量被释放出来，环状磁场线所捕捉到的等离子体被迅速加速及加热。结果，日冕层便发生剧烈爆发，这就是耀斑。也就是说，耀斑通常发生在太阳黑子附近。光球层之上的色球层气体也吸收能量而被加热，大量的等离子体向太阳之外（行星际空间）喷射。迄今为止所爆发的最大的耀斑，在一分钟内放射出的能量大约相当于中国一年发电量的两万倍。

图3.图片中央可以看到散发橙色光芒的气体正向四面八方猛烈地喷射。这是在太阳表层的日冕层中发生的大尺度“喷流现象”。太阳会经常释放这种被称为“太阳风”的高温等离子体。

这种喷流现象被认为是日冕层的下层与色球层中的磁场线发生磁重联时，能量向上方释放，导致气体被搬运至上空而引起的。

上图由2013年1月17日SDO拍摄的三幅不同波长的观测图像（红色：21.1纳米，绿色：19.3纳米，蓝色：17.1纳米）合成所得（纳米为百万分之1毫米）。

图4.巨大的磁场造就了巨大的火焰

该图为2013年3月16日由SDO拍摄所得。

图像捕捉到了太阳表面猛烈喷射出火焰的瞬间。这团巨大的火焰被称作日珥。与右上角同比例尺下的地球相对照，可以直观地感受到火焰的巨大。

日珥被认为是色球层中的一部分等离子体顺着磁力线冲到日冕层中形成的。由于太阳的磁场作用，日珥便漂浮在日冕层中。稳定日珥的形状可保持数日甚至是数月。

然而，当光球层或者色球层中的磁场发生一定变化时，日珥会被吹向星际空间，从而无法继续漂浮在日冕层中，于是就会发生日冕物质抛射。当出现耀斑的时候，也常常发生日冕物质抛射。

图5.对地球造成巨大影响的日冕物质抛射

该图左上方是长度超过太阳直径的巨大气体团。这个现象被称为日冕物质抛射（CME）。该图像为NASA在1995年发射升空的太阳和日球层探测器（SOHO）拍摄所得。图像中的CME是在2015年4月28～29日发生的。由于太阳自身太过明亮，因此本图是在使用遮光板将其遮蔽的基础上拍摄的。

CME是由于日珥被吹到日冕层外或大尺度耀斑爆发等引起日冕层中的气体被吹向宇宙空间而产生的。每一次CME大约有100亿吨等离子体以700～800千米每秒的速度喷射而出。

CME会带着太阳的磁力线一起喷射。因此，如果向地球方向发生了CME，能量就会突入地球磁层，使地球上产生磁暴，不仅会扰乱通信，还可能出现强烈的极光。

图6. 开裂的冕洞

该图像由SDO于2014年1月29日拍摄，通过合成三幅不同波长的观测图像（红色：21.1纳米，绿色：19.3纳米，蓝色：17.1纳米）所得。

太阳的南半球，大片的黑色区域清晰可见。这是日冕层中温度较低，或者密度较小而看起来较黑的区域，被称为冕洞。冕洞只有在N极或者S极的磁场区域才会产生。由于没有被磁力线束缚的气体，所以看起来比较黑。

正如前文所说，太阳经常喷射出太阳风。而冕洞会喷射出比其他区域更高速的太阳风。即使没有日珥和耀斑，这种高速的太阳风到达地球时也会扰乱地球磁场。

冕洞多见于太阳活动较弱的时候。与之相反的是，黑子多出现在太阳活动活跃的区域。冕洞和黑子是互相对照的存在。

若是追根溯源，地球所利用的能源都是来自太阳的馈赠。然而，即使作为最接近我们的恒星，太阳仍有很多出人意料的不明之处。比如，光球层温度为6000℃，而其上方的日冕层却高达100万摄氏度。为何远离中心的日冕层反而更热，至今依然无法明了。此外，我们也还完全不知道日珥和冕洞是如何生成的。

为了解开太阳的各种谜团，日本在1981年发射了太阳观测卫星“火鸟”号，1989年又发射了“阳光”号。然后在2006年，JAXA希望通过同时详细观测光球层、色球层及日冕层，以探明光球层及日冕层活动的对应关系，发射了太阳观测卫星“日出”号。

通过日出号的观测，可以分别看清光球层和日冕层中产生的活动。不过，日出号的望远镜分辨率尚不足以搞清这两者活动之间的关系。因此，日本的太阳研究者以2025年前后发射新的太阳观测卫星为目标，正在推进日出号的继任者“SOLAR-C”计划。SOLAR-C将通过分辨率大幅提升的望远镜来观测日冕的磁场结构和等离子体的活动，从而探明太阳活动的原理。

如今，不仅仅是空间望远镜，地基望远镜也正朝着高性能的方向进化。NASA正在夏威夷毛伊岛的哈雷阿卡拉火山山顶建造“丹尼尔·井上太阳望远镜”，并计划于2019年完工。该望远镜拥有直径4米的主镜，将在紫外线到远红外的波段上进行高精度的太阳观测。它的一大特点是可以同时对光球层及日冕层进行观测，并精确测量太阳磁场。

今后，日出号和SDO等空间望远镜会观测被地球大气吸收的X射线等短波长的电磁波，其他波长的电磁波则由地基望远镜观测，这样的合作方式对于太阳的观测将有进一步发展的可能性。

从宇宙整体来看，太阳不过是一颗普通的恒星。因此，探明太阳的构造及其活动的原因，有助于研究遥远恒星的特征。此外，对太阳上喷流的研究，也有助于探明星系中央和类星体等喷流（等离子体超高速喷射的现象）的机制。对太阳的研究，是解开宇宙之谜的关键。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）