太阳活动(太阳活动的类型和影响)

太阳活动(太阳活动的类型和影响)太阳活动周期正在逼近,这次的日全食超级壮观,错过可就可惜了

2020年5月30日,欧洲航天局的太阳轨道飞行器拍下了这张太阳远紫外图像。这种波长有助于发现太阳的上层大气,即日冕,其温度高达100万度。供图:SOLAR ORBITER/EUI TEAM/ ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL

撰文:NADIA DRAKE

  虽然我们对太阳有了一定的了解,但这颗星球依然谜团重重。经过了相对平静的7年后,现在太阳开始变得更加喜怒无常,人类的航天器已经做好准备,观察它的苏醒。这是一次前所未有的机会,科学家将借助这些航天器,了解这颗暴躁的恒星,以及它如何影响我们的邻居星球。

  就像周期性出现又消失的蝉一样,太阳也会周期性地经历风暴和沉睡,时间间隔为11年。这个循环周期与太阳内部磁场活动有关,具体表现在太阳黑子和耀斑等现象上。

  科学家正密切关注太阳的性情,因为太阳射电爆发会严重破坏电网和通信系统(这些是现代文明中至关重要的技术),以及轨道上和轨道之外的探测器。但太阳和行星系统之间的联系看不见摸不着,我们很难理解。

  “旁观者清,每当我退后一步,我就会想,我们怎么可能知道这么多?”NASA的太阳物理学家James Klimchuk说:“但我们还有更多的未知。”

  现在,下一个太阳活动周期已经开始,预计将在2025年前后达到峰值。这一次,太阳将从沉睡中醒来,NASA的帕克太阳探测器一直在俯冲向太阳,它与太阳的距离比其他任何航天器更近。

  “一想到它,我总是会无比兴奋,”NASA的太阳物理学家Madhulika Guhathakurta说:“我想这是我留在NASA总部唯一的理由,那就是帕克太阳探测器。”

  欧洲航天局的太阳轨道飞行器也在绕太阳飞行,它将为我们带来首次观察太阳极点的好机会。在这项任务之前,科学家大多只能观察从地球能看到的太阳表面,而观察极点对于了解磁场活动和太阳活动强度的周期变化至关重要。

  更令太空爱好者兴奋的是,这次周期的极大期或将与日全食重合,也就是2024年4月,届时北美地区将会见证这场日全食。当月球遮住太阳,在日全食路径上的人们将会看到太阳上层大气精致的光环,即日冕,这是接近太阳活动极大期的壮观景象。

  “它会给我们一种(能量)四处涌动的感觉,充满了活力,”Guhathakurta说。

终结者事件

  虽然太阳专家认为,下一个周期已经开始,但关于这次太阳活动有多强烈,各方争议不断。2020年9月,第25太阳周期预测小组宣布,第25太阳周期已开始,他们预测,这次太阳活动比较温和。传统上,这些预测基于太阳黑子的数量,即太阳表面转瞬即逝的暗斑。太阳黑子出现在磁场较强的区域,随着太阳活动的强弱而变化。

  2019年12月,科学家记录了太阳黑子最小值。这一观察结果标志着第24太阳周期的结束,预测小组后来说道,根据黑子开始重现的速度,第25太阳周期的强度似乎与第24相仿,相对平静。

  然而,其他太阳活动周期专家得出了截然不同的结论:第25太阳周期将会是自1755年有记录以来最强的周期之一。马里兰大学巴尔的摩分校的Robert Leamon和同事没有计算太阳黑子的数量,而是根据他们所谓的“终结者事件”(terminator)来预测,即前一次太阳活动周期的所有磁场活动都消失的时间点。太阳黑子的变化通常与这一转变一致,但真正的终结者事件往往比太阳黑子最小值晚12到18个月。

  “我想告诉所有人,除了太阳黑子外,还有更多的太阳活动,”Leamon说,他的团队把截然不同的预测结果发表在《太阳物理学》杂志上。

  通过绘制270年来的终结者事件,Leamon和同事发现,两次事件之间的时间间隔与下一个周期的强度有着密切关系,间隔越短预示着强度越强。而这就是目前的状况,他说,间隔很短,第25周期的磁场活动或将在未来几个月内开始。

  “我们已经很接近了,”Leamon说:“那时候我们会看到太阳活动大幅增加。”

灾难预测

  强烈的太阳活动周期将给地球带来不小的麻烦。太阳黑子会带来大规模爆炸,即太阳耀斑,这些耀斑有时会把大量辐射和带电粒子抛向太空,即日冕物质抛射。足够强的日冕物质抛射与地球相撞,可能引发破坏性的地磁暴。

  最著名的地磁暴发生于1859年,第10太阳周期,被称为“卡林顿事件”。它扰乱了电报,令操作人员倍感震惊;它还带来了极光,远至加勒比海的地方都能看到极光。今天,这种强度的地磁暴将会带来毁灭性的破坏:电网崩溃,卫星瘫痪,危及轨道上的宇航员,改变原计划的航线,地面通信系统无法穿过地球的上层大气。

  强度较弱的喷发也很危险。1989年3月12日,由于日冕物质抛射影响到地球,电网被烧毁,整个魁北克省停电,人们被困在电梯和隧道里,而这次事件的强度只相当于卡林顿事件的一小部分。在轨道上,多颗卫星暂时陷入黑暗或无法保持高度,当天早些时候发射的发现号航天飞机上的传感器也发生故障。

  太阳活动对地球的影响被称为“太空天气”,多年来,科学家一直在微调如何预测太阳变危险的时间。更准确地预测太阳风暴,意味着可以更好地保护脆的弱基础设施,就像天气预报可以让风暴沿途的人们做好准备一样。

  “我们无法阻止太阳上发生的事情,但如果我们有足够的预警,就有希望通过切换替代电网,减轻破坏程度,”美国天文学会太阳物理学部的公共政策委员会主席、西肯塔基大学的Gordon Emslie说。

  意识到太阳风暴的破坏力后,2020年10月美国政府通过了《太空天气研究与预报法》。这项法案要求政府各机构共同合作,破解太空天气谜题,提高预测能力。这意味优先进行基础研究:太阳爆发是如何发生的,日冕物质抛射如何穿越太空,同时设置各种监测程序和卫星。

  “如果能观察、分析微下击暴流、龙卷风和飓风,我们就能更好地了解这些现象,太空天气也是这样,”Emslie说。

  太空机构已经在地面和轨道上设置了不少太阳观测望远镜,为我们带来多种波长的观测图像。最近新增的两艘航天器正在为科学家揭示太阳的正面情况。科学家已经开始利用探测器提供的数据,揭开太阳的谜团。

聚焦“营火”耀斑

  2020年2月,欧洲航天局的太阳轨道飞行器发射升空,目前正在绕太阳运行;它借助金星的引力,将自身推入可以看到太阳极点的轨道。现在,飞行器正忙于利用各种机载仪器,研究太阳,帮助我们了解它对地球的影响。

  去年5月,这些相机观测到,在太阳低层大气中发生了约1500次微型耀斑,或者说,按照太阳的标准,这些耀斑属于微型,因为有些耀斑会跨越整个星球。这些小型喷发持续了几十秒,研究团队称之为“营火”。

太阳活动周期正在逼近,这次的日全食超级壮观,错过可就可惜了

2020年5月,欧洲航天局的太阳轨道飞行器拍下了这张高分辨率图片,从中可以看到“营火”耀斑的特点,这或将为我们解开长期以来的谜团:为什么太阳上层大气的温度比表面高得多?供图:SOLAR ORBITER/EUI TEAM/ ESA & NASA; CSL, IAS, MPS, PMOD/WRC, ROB, UCL/MSSL

  “这是人为创造的观察术语,描述的是在非常短的时间里爆发的非常小的耀斑,但它们到处都是,”欧洲航天局的太阳轨道飞行器项目的科学家Daniel Müller说。

  营火发生在安静的区域,磁场线扭曲、纠缠,像超过负载的橡皮筋一样扭断,就会发生营火。这些磁场线断裂后重新连接,释放出热量,产生微小的耀斑。4月底,在欧洲地球科学联合会的会议上,科学家宣布,这些营火释放的能量足以解释长久以来的谜团。

  太阳的表面温度约5480度,日冕则高达100万度。近一个世纪以来,太阳物理学家一直在试图揭开这个谜。

  “这就像是你离开壁炉,走到100米开外,突然变得非常热,”Müller说:“怎么会这样?”北京大学的陈亚杰领导的团队通过模拟闷烧的太阳表面,计算出这些营火产生的热量足够给日冕加温。

  “这些模型现在已经较为完善,我们可以相信模型得出的结论,”Müller说:“模型显示,我们研究的方向是正确的。”

  这可能并不奇怪,NASA的Klimchuk说,营火似乎是一种更大的纳米耀斑,即一种小型太阳爆炸。1988年,物理学家Eugene Parker提出了纳米耀斑加热日冕的模型。

  新研究还有很多未能解释的现象,包括营火发生在安静的区域,并向太阳大气释放热量,而纳米耀斑发生在更高的地方,而且在活跃区域尤其猛烈。太阳轨道飞行器的观测正在帮助科学家更好地理解这一现象。

  但关于太阳,最亟待回答的问题是:它如何产生和控制磁场?

  “这个一个非常重要的问题,”Leamon说,绕太阳运行的航天器正准备找出这个问题的答案。

  太阳的磁场来自内部深处高温气体的搅动,即所谓的“太阳发电机”。在这个系统中,磁场线在太阳表面喷发并扩散。了解这一过程需要观测太阳极点,由于将航天器推入极点观察轨道需要能量,科学家很难开展这项研究。太阳轨道飞行器将在太阳的极点上空停留几年时间,收集这片区域的数据,为我们带来揭开这一谜团的重要线索。

  与此同时,NASA的帕克太阳探测器正在逼近太阳,甚至在太阳的上层大气中进进出出,这意味着它将最先遭遇第25太阳周期。这也是科学家首次近距离研究太阳从沉睡中苏醒,把帕克太阳探测器收集的信息与太阳活动对地球的影响结合起来。

壮观的日全食

  在这个太阳活动周期里,人们不需要乘坐宇宙飞船就能看到太阳活动。2024年4月8日,月球将运行到地球和太阳之间,完全挡住太阳。这次日全食会持续近4分半,从得克萨斯州到缅因州,这片狭长地带都可以看到,而且日全食发生在太阳活动极大期。

  作为日食爱好者,Guhathakurta自1991年在墨西哥海岸第一次看到日全食后,就一直在追逐这一天象。对于她来说,那是一次惊人的超验经历。

  “它会改变你,”她说:“它会促使你深入思考宇宙,宇宙与我们的关系,思考我们身为人类最基本的问题。”

  这次的日全食不同于2017年那次。虽然那一次,美国大部分地区都可以看到日全食,但适逢太阳活动逐渐减弱,日冕相当温和。

  日冕通常被阳光掩盖,从太阳表面延伸出几百万公里。但日食过程中,太阳被遮住,观者可以看到一个纤细的护套,看上去就像闪闪发光的光环,装饰着黑色的月面。

  太阳活动极小期的日食,我们可以在太阳赤道附近看到冕流等特征,在月球边缘附近可能有少量小耀斑。而在太阳活动极大期,日冕则会是最壮观的景象。

  “你会看到很多冕流,不仅仅是赤道,极地地区也有,”Guhathakurta说:“我们可能会捕捉到日珥或耀斑后环。”

  只有当月球完全遮住太阳后,我们才能看到冕流和其他现象,这也是裸眼直视太阳唯一安全的时候。我们可以在月球缓慢地掠过日面时,观看这一壮观景象,而当新月渐渐移开,诡异的微光不断增强,我们就需要戴上防护镜了。即便我们无所畏惧,直面太阳的飞行器也需要严密保护。

  日冕在月球后方活跃,而精致的光环和冕流会追随着太阳不可见的磁场线,为我们揭开科学谜题。

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