罕見極光刷新認(rèn)知，南下趨勢或?qū)⒊掷m(xù)

太陽活動正走向第25個周期極大期，頻頻引發(fā)強烈地磁暴

罕見極光刷新認(rèn)知，南下趨勢或?qū)⒊掷m(xù)

近日，令人震撼的“北京極光”刷新了公眾認(rèn)知：平時要在高緯度地區(qū)方得一見的極光，竟頻繁光顧地處北緯40°的新疆、北京等地。而早在今年二三月份，極光就在地球中低緯度地區(qū)現(xiàn)身了。

為何今年極光如此活躍且頻頻“南下”？這與太陽風(fēng)引起的地磁暴密切相關(guān)。由于近年太陽活動正走向第25個周期的極大期，未來一兩年，極光還可能多次現(xiàn)身中低緯度地區(qū)。

據(jù)中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心統(tǒng)計，今年地球已發(fā)生了7次大地磁暴級別的地磁活動，分別是在2月27日、3月23日、3月24日、4月23日、4月24日、9月19日和12月1日。其中，發(fā)生于3月23日至24日間的特大地磁暴，是近六年來的最大地磁暴。地磁暴從低到高共分為G1到G5五個等級，而這次達(dá)到了G4級，導(dǎo)致極光“南下”至諸如美國新墨西哥州等緯度較低的地區(qū)。

整整一個月后，地球又經(jīng)歷了一次同等規(guī)模的地磁暴，它在英國東南部、美國加利福尼亞州，以及我國新疆等偏低緯度地區(qū)再次制造了極光美景。

太陽風(fēng)暴為地球帶來的不僅僅是極光這種視覺盛宴，也會給無線通訊、人造衛(wèi)星、空間站航天員安全帶來威脅。在欣賞美麗極光的同時，人類更要密切關(guān)注太陽活動，做好空間天氣預(yù)測與預(yù)警，及時予以應(yīng)對。

人類家園

漂浮于雙重磁化“氣泡”中

太陽是離人類最近的一顆恒星。日常人們所見的“太陽”，其實是這顆恒星的光球?qū)?。人類對太陽的了解是一個逐級深入的過程：先是從光球?qū)友由斓搅松驅(qū)雍腿彰?，而后隨著美國天體物理學(xué)家尤金·帕克所預(yù)言的太陽風(fēng)得到觀測證實，人類對太陽的認(rèn)知邊界又?jǐn)U展到整個日球?qū)印?/p>

太陽是一顆磁化恒星，日球?qū)泳褪怯商柎艌龊吞栵L(fēng)的影響范圍所構(gòu)成的巨大包絡(luò)層。在日球?qū)觾?nèi)，太陽是空間環(huán)境的絕對主導(dǎo)者。在日球?qū)舆吔缣?，太陽風(fēng)向外吹的壓力與來自星際介質(zhì)的壓力相平衡，于是太陽風(fēng)就在這里停滯，形成所謂的日球?qū)禹敗?/p>

2012年，美國“旅行者一號”探測器穿越了太陽風(fēng)和星際介質(zhì)交界的位置，人類由此第一次確定日球的邊界位于距離太陽核心約140個天文單位(太陽和地球之間的距離為1個天文單位)地方。

在宇宙空間中，日球?qū)酉駛€透明的橢球狀大氣泡。正是這個“大氣泡”阻擋了絕大部分宇宙線進(jìn)入太陽系，也構(gòu)成了人類防范宇宙線的第一道安全屏障。

人類的家園——地球就是一顆在日球?qū)酉到y(tǒng)中起伏波動，并與這個系統(tǒng)發(fā)生著電磁相互作用的行星。形象地說，地球就像一葉扁舟，每時每刻都處在快速流動的磁化等離子體環(huán)境中。

幸運的是，我們還有一個由地球磁場在地球周圍形成的“小氣泡”將太陽風(fēng)阻擋在外，這就是地球磁層。如果沒有這個“小氣泡”的存在，地球大氣早就被太陽風(fēng)吹走了。同時，地球磁層還進(jìn)一步阻擋了宇宙線和太陽高能粒子對人類的傷害，構(gòu)成保護(hù)人類安全的第二道屏障。

日冕物質(zhì)拋射

沖向地球的太陽“噴嚏”

然而，地球磁層這個“小氣泡”略有缺陷，即在兩極呈漏斗狀。而且，在朝向太陽的一面，地球磁場經(jīng)常會與來自太陽的磁場發(fā)生磁場重聯(lián)——通俗來講，這個過程就好像將地球磁層“撕”開一個口子，太陽風(fēng)粒子以及在此過程中被加速的高能粒子，會從這個口子進(jìn)入并沿著漏斗狀的地球磁層極尖區(qū)下降，與大氣碰撞，形成日側(cè)(白晝一側(cè)的)極光。

地球磁層的磁力線被“撕”開后，隨著太陽風(fēng)的吹拂來到夜晚一側(cè)，形成一條長長的磁場“尾巴”，這就是地球磁尾。在磁尾中，相反方向的磁力線進(jìn)一步重聯(lián)，從而讓更多高能粒子沿著磁力線沉降，進(jìn)入地球大氣，形成夜側(cè)(夜晚一側(cè)的)極光。

這些過程往往伴隨著地球磁層環(huán)電流的增強以及地磁場的減弱、紊亂，也就是通常所說的磁暴過程。從極光形成的過程可以得知，形成高等級磁暴有兩個必要條件：一是來自太陽的磁場正好擊中了地球磁層頂；二是來襲的太陽磁場具有與磁層頂磁場相反的方向。

物質(zhì)能夠攜帶磁場撞向地球的情況有兩種：一是太陽活動期間產(chǎn)生的日冕物質(zhì)拋射，二是來自太陽冕洞的高速太陽風(fēng)。在冕洞之中，磁力線呈開放狀態(tài)，太陽風(fēng)沿著開放磁力線傳播，以兩倍于太陽風(fēng)平均速度的速度釋放帶電粒子。當(dāng)這些快速流動的太陽風(fēng)追上速度較慢的太陽風(fēng)，就會相互擠壓，增強它們之間的磁場。當(dāng)這種擠壓區(qū)域掃過地球，就可能產(chǎn)生地磁暴。

通常來說，源自日冕洞的地磁暴會有在數(shù)小時內(nèi)逐漸上升的過程，并且不像日冕物質(zhì)拋射引起的風(fēng)暴那么嚴(yán)重，故而強磁暴大多由日冕物質(zhì)拋射引起。

日冕物質(zhì)拋射是指等離子體攜帶著磁場從太陽日冕中釋放到行星際空間的過程，就好像太陽打了個噴嚏，使用日冕儀可以觀測到這一過程。如果日冕物質(zhì)拋射朝向地球，這些等離子體和磁場將嚴(yán)重擾動地球磁層及高層大氣，引發(fā)地磁暴，進(jìn)而阻斷通訊，降低導(dǎo)航精度，損壞人造衛(wèi)星和地面電力系統(tǒng)。

為此，人類已建立起空間天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對地磁暴進(jìn)行預(yù)報。例如，在12月1日的極光出現(xiàn)之前，中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心就提前一天發(fā)出預(yù)報：11月30日、12月1日和2日這三天，可能出現(xiàn)地磁暴活動，其中12月1日可能發(fā)生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，預(yù)計地磁活動將延續(xù)至12月2日。

與此同時，該中心還發(fā)出提醒：空間站可能因大氣拖拽造成軌道高度下降，衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備誤差增大，航空飛行將面臨通訊環(huán)境變差和跨極區(qū)輻射的雙重風(fēng)險；而公眾，尤其是信鴿玩家和極光愛好者，未來幾天要時刻注意空間天氣信息。

多彩極光

高能電子踏出霓虹“足印”

“極光”一詞源于羅馬神話中的織架女神“歐若拉”，代表旭日東升前的黎明。中文名稱“極光”表示這一現(xiàn)象經(jīng)常在兩極看到。但是，在一些極端情況下，低緯地區(qū)甚至赤道地區(qū)也能看到極光。出現(xiàn)在低緯地區(qū)的極光多為紅色，而高緯地區(qū)多見綠色或黃綠色極光，此外還有較為罕見的粉紅色、紫色、藍(lán)色極光。

極光的顏色是如何形成的？原理其實很簡單。極光是由從地球磁層闖入的高能粒子以高達(dá)每秒2萬千米的速度撞擊地球高層大氣而引起的。在這一過程中，這些以電子為主體的高能粒子就會激發(fā)氣體原子和分子并產(chǎn)生極光。這與霓虹燈的工作原理十分類似：當(dāng)分子和原子被電子激發(fā)到高能量狀態(tài)的激發(fā)態(tài)時，它們必須返回到其原始能量的基態(tài)，并通過釋放光子的形式來釋放能量。

就像霓虹燈的顏色取決于管內(nèi)的氣體混合物一樣，極光的顏色取決于大氣中的氣體組分。

在地面上空200千米以上，高能電子首先遇到的是一層富含氧原子的大氣，它們與這些氧原子碰撞，將氧原子賦能到激發(fā)態(tài)。由于大氣密度隨著高度的上升而迅速衰減，200千米以上高空的大氣十分稀薄，因此這些被激發(fā)的氧原子與其它原子發(fā)生碰撞的概率非常小，這就使它們可以在釋放光子之前跑出相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，于是這一層的極光就呈現(xiàn)出云霧狀的彌散形態(tài)。

這些被激發(fā)的氧原子釋放出淡紅色的光芒，構(gòu)成極光的最高層。所以，即使磁緯度較低的我國北方地區(qū)，有時也可以在北方地平線上觀測到這一抹淡紅。這也是為何低緯度地區(qū)出現(xiàn)的極光大多是紅色。此外，低緯度地區(qū)出現(xiàn)的極光往往發(fā)生在特大磁暴期間，此時的紅色極光較為明亮，更容易被人眼察覺。

當(dāng)高能電子繼續(xù)沉降來到距地面100至200千米之間的中層大氣時，這里的大氣密度逐漸升高，氧原子和氮分子逐漸增多。在中層大氣，高能電子激發(fā)的仍然主要是氧原子，但由于環(huán)境的改變，這里的氧原子主要釋放出黃綠色的光子，因此在這一層，極光往往呈現(xiàn)黃綠色。這種極光不僅亮度較高，而且由于人眼對于綠色更為敏感，因此黃綠色成為高緯度地區(qū)最常見的極光顏色。由于黃綠色極光源區(qū)的大氣密度更高，粒子碰撞頻繁，且氧原子激發(fā)態(tài)的維持時間較短，因此這種極光可以大致勾勒出高能電子沿著磁力線落入大氣的位置。這些攜帶高能電子的磁力線在磁層活動中不斷改變形態(tài)，于是黃綠色的極光帶也隨之變幻萬千，如同天神舞動的裙擺。

一般強度的太陽活動所產(chǎn)生的極光，往往到黃綠色就結(jié)束了。但當(dāng)我們遇上一次十分猛烈的太陽活動時，磁層內(nèi)的電子就會被加速到很高的能量狀態(tài)，穿過中高層大氣的層層阻擋，來到80千米以下的濃密大氣層。在這里，原子態(tài)的氧極其稀少，因此不能作為發(fā)光的主要物質(zhì)。但這里的氮分子足夠密集，足以發(fā)出可觀強度的光芒，于是就成了極光的主導(dǎo)發(fā)光物質(zhì)。氮分子及其離子被激發(fā)后，幾乎瞬間就會釋放出光子，在空中留下粉色、紫色、洋紅色，甚至藍(lán)色的印跡。這些是極光的最低層，是高能電子在地球大氣中踏下的最深“足印”。

太陽黑子活動

強磁暴的唯一源頭？

既然強磁暴多數(shù)由日冕物質(zhì)拋射引起，那么日冕物質(zhì)拋射又來自何方？其實，它主要來自太陽黑子。雖然太陽看上去很穩(wěn)定，但太陽大氣實際上非?；钴S，其標(biāo)志就是大家所熟知的、具有11年周期的太陽黑子活動。

太陽黑子是強磁場聚集地，一個或數(shù)個太陽黑子就構(gòu)成了太陽活動區(qū)，其中經(jīng)常發(fā)生爆發(fā)性活動，包括太陽大氣中突發(fā)的太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等。

太陽耀斑是在太陽大氣局部區(qū)域發(fā)生的能量釋放現(xiàn)象，可在太陽色球和日冕像中觀測到顯著的局部增亮。一次典型的大耀斑能釋放出高達(dá)1025焦耳的能量，相當(dāng)于十幾億顆核彈同時爆炸所釋放的能量。

耀斑和日冕物質(zhì)拋射有較密切的關(guān)聯(lián)，大的耀斑往往伴發(fā)日冕物質(zhì)拋射。由此，我們得出一個印象，強磁暴均與太陽黑子活動相關(guān)。我國古代關(guān)于黑子和極光的文獻(xiàn)記錄分別有100多次。從這些記錄中可以發(fā)現(xiàn)，極光通常發(fā)生在太陽黑子多的時期。例如，1859年9月，地球上曾發(fā)生過一次超級大極光，在該事件前后幾年間，我國古代文獻(xiàn)中就有好幾條黑子記錄。現(xiàn)代科學(xué)家經(jīng)常用樹干上一層一層年輪中的碳-14含量來獲知遠(yuǎn)古時代的太陽活動水平。因為，在太陽黑子極小期，由于日球?qū)又械拇艌鰷p弱，它們對宇宙射線的阻擋也會同步減弱，地球大氣因此會受到更多宇宙射線轟擊，在地球大氣層中產(chǎn)生更多的碳-14。

在幾個太陽黑子極小期，我國關(guān)于黑子和極光的古代文獻(xiàn)記錄均相對較少；而在太陽中世紀(jì)極大期，文獻(xiàn)記錄的黑子極光出現(xiàn)數(shù)量則呈現(xiàn)出一個高峰。

不過，有一件事頗耐人尋味。公元762年的前200年和后100年間，古代文獻(xiàn)中幾乎沒有黑子記錄，這說明太陽活動處于一個較長跨度的極小期，我國有學(xué)者曾將其命名為“唐朝黑子極小期”。而在此期間，文獻(xiàn)中卻散落著一些極光記錄，尤其是公元762年，這一年竟集中出現(xiàn)了5條不同時間的紅色極光記錄。這是否意味著，太陽黑子活動并不是強磁暴的唯一源頭？這個推測或許要等下一次類似的極小期出現(xiàn)，才能得到驗證。而我國天文學(xué)家也正從這一疑點出發(fā)，探尋著更多的太陽未知之謎。(文匯報)

(作者季海生 滕偉霖分別為中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員、博士研究生)

來源：文匯報