探秘太阳风暴：地球将迎来哪些变化？

文章编号：17394 / 更新时间：2024-03-04 17:18:38 / 浏览：次

举头望明日，就想打喷嚏。我们对太阳的存在早已习以为常。但大概是距离产生美，大伙对太阳的关注远没有对宇宙的起源、黑的形成热情。

《2012》这样的好莱坞科幻大片中将人类史上最大一次太阳爆发和全球毁灭性灾难关联起来，这是真的么？今我们就拨开云雾见日明，聊一聊太阳大气中最重要的爆发现象之一：日冕物质抛射（coronalmassejections，简称CMEs）。因为如果不了解它的脾气，虽不地球毁灭，后果还是蛮严重的。

例如：1989年的CME事件造成了强烈的地磁扰动，导致加拿大魁北克全省近9个小时的大停电，直接经济失达上千万美元。而当时正在工作的太阳极大期任务卫星（SMM）在太阳高能粒子轰击下，其轨道高度直接下降了0.8千米，这直接加速了星的坠毁。

所以，加强对CME及其他太阳活动爆发的研究和监测具有极其重要的意义！！日冕物质抛射与地球磁层相互作用，产生地和极光|图源：NASA

什么是日冕物质抛射？

太阳应该属于远看静如处子，近看动如脱兔的典例了，太阳大气实际非常。它分为光球、色球、过渡区和日冕。光球就是我们日常生活中肉眼看到的太阳表面。它发出的可见光辐射远比其他层次的辐射要强。因此通常我们完全观察不到其他层太阳大气的存在。只有发生日全食时，日面可见光辐射被月亮遮挡，我们才可以直接看到日冕结构。2008年8月1日日全时太阳日冕|图源：Pasachoffetal.2009

日冕中最剧烈的活动之一就是日冕物质抛射。顾名思义，它从日冕中抛射出的大量磁化物质它的爆发通常携带了大量的等离子体，所释放的能量可达10²⁸-10³²erg，相当于几十亿或上百亿次核爆炸的能量，同时还会向日地空间抛超过百亿吨的磁化等离子体，其运动速度最快能达到几千千米每秒。

当CME向地球方向抛射时，经过两三天的长途跋涉，它将到地球。如果CME携带南向磁场，将和地球磁场相互作用发生磁重联过程产生地磁扰动和地磁爆，还有肉眼可见的极光。

怎样才能看到物质抛射？观测日全食的机会难得，怎样才能长时间监测CME呢？1930年，法国天文学家BernardLyot发明了第一台地面日冕仪，其基本设计是通过遮住太阳光球的光线，形成如同日全食的效果，然后就可以使人们不需要等待日食的发生就能在任何晴朗的白天对太阳日冕进行直接观测。第二次世界大战之后，空间太阳观测技术飞速发展。60年代以后，美国和前苏联开始利用人造卫星对太阳进行更加多样化的观测。CME的第次清晰观测来自轨道太阳天文台-7（OSO-7），随后一系列的空间探测卫星的长期观测使得CME的研究开始蓬勃发展起来。

高质量观测数据显示，CME经常是长这样的：可见光日冕仪SOHO/LASCOC3中的CME及其三分量结构|图源：NASA打开CME观测新窗口2022年左右我国首颗阳探测卫星先进天基太阳天文台（ASO-S）将发射升空，其科学目标就是要揭开太阳爆发的神秘面纱。卫星上将会搭载三个载荷，分别为日面矢量磁像仪（FMG），硬X射线成像仪（HXI）和莱曼阿尔法太阳望远镜（LST）。

除了常用的CME可见光观测，LST打开了一个观测窗口，在紫外莱曼阿尔法波段（121.6nm）获取全日面和内日冕（2.5个太阳半径之内）高时空分辨率的图像。

从可见光和莱尔法两个波段上看，CME的长相原来风格迥异。ASO-S卫星及模拟的CME可见光和莱曼阿尔法波段观测|图源：ASO-S和METIS围绕CME研紫台LST团队正利用LST的观测优势，结合人工智能等新技术，对CME实行自动识别与跟踪，深入挖掘CME新的物理本质，以期对其进行监测和预报，为我们的航空航天通信导航等活动提供预警保障。

作者简介应蓓丽：中国科学院紫金山天文台太阳高能及其相关物理过程团组博生，LST团队成员，研究方向为日冕物质抛射

太阳风暴对地球的重大影响

当太阳爆发的物质和能量朝向地球时，可能引起地球空间环境的扰动，进而影响人类活动，不同太阳爆发活动到达地球空间的时间也不一样，耀斑爆发时增强的地磁辐射以光速到达地球空间，时间只需约8分钟，它主要对电离层突然骚扰，影响短波通信环境，高能带电粒子到达地球空间时间缓慢，约几十分钟，一方面它引起极区电离层电子密度增加，产生电波极盖吸收事件，另一方面它会直接轰击航天器，给航天器带来辐射损伤等多种影响，日冕物质抛射的快速等离子体云需要大约1天到4天的时间才能到达地球，它首先与地球的磁层发生相互作用，引起地球磁场变化，产生地磁暴，随后引发地球空间高能电子暴、热等离子体注入、电离层暴、高层大气密度增加等多种空间环境扰动事件，对卫星运行、导航通信和地面系统产生一系列的影响。

太阳风对地球的影响有哪些？

太阳风对地球的影响：它会干扰地球的磁场，使地球磁场的强度发生明显的变动；它还会影响地球的高层大气，破坏地球电离层的结构，使其丧失反射无线电波的能力，造成我们的无线电通信中断；它还会影响大气臭氧层的化学变化，并逐层往下传递，直到地球表面，使地球的气候发生反常的变化，甚至还会进一步影响到地壳，引起火山爆发和地震。太阳黑子对地球的影响：活跃时会对地球的磁场产生影响，当太阳上有大群黑子出现的时候，会出现磁暴现象使指南针乱抖动，不能正确地指示方向；平时很善于识别方向的信鸽会迷路；无线电通讯也会受到严重阻碍，甚至会突然中断一段时间，这些反常现象将会对飞机、轮船和人造卫星的安全航行、还有电视传真等等方面造成严重威胁。太阳耀斑对地球的影响：1、对空间飞行的影响增强的紫外和X射线辐射使电离层中的电子浓度急剧增大，引发电离层突然骚扰，可导致短波无线电信号衰落，甚至中断。增强的紫外辐射被地球大气层直接吸收后，加热大气，大气的温度和密度升高，从而使人造卫星等空间飞行器的轨道发生改变；紫外辐射的增强还使得原子氧的密度突然增加，从而加快了原子氧对航天器表面的剥蚀作用。 2、对通信的影响短波通信主要是靠F层的反射进行的。但是，在发生电离层突然骚扰时，由于D层附近的电子密度突然增大，穿过D层射向E层、F层并反射回地面的无线电波受到强烈的吸收，引起电波的衰减。 D层电子密度越大，吸收越强。如果D层的电子密度非常大，以致短波通信的最高可用频率也遭到严重吸收，这时通信将发生中断。 3、对广播信号的影响在实际生活中，在我们收听广播时，信号会突然变得杂乱，无法收听，有时我们调调频率，信号会清楚些，但有时却仍然无法听清楚，这种状况一般过不了多久就会自己恢复。这可能就是遥远的太阳爆发耀斑对广播信号的影响。 4、对导航的影响甚低频导航或通信信号主要是在地面与电离层底部之间的一个波导之间传播，电波在地球和电离层之间来回反射传播，可以实现远距离的传播。当电离层发生突然骚扰时，由于D层的反射高度下降，电离层底部发生变化，导致低频或甚低频信号在给定的发射机和接收机之间的传播相位时延发生变化，严重时能产生几十公里的导航误差。