太阳风暴来袭 之 日冕物质抛射

来源：中科院之声

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”、“黑洞的形成”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，然而，这是真的么？今天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（coronal mass ejections，简称 CMEs）。因为如果不了解它的脾气，虽不至地球毁灭，后果还是蛮严重的。

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，直接经济损失达上千万美元。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，这直接加速了该卫星的坠毁。

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！！

图1.日冕物质抛射与地球磁层相互作用，产生地磁暴和极光 | 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，太阳大气实际非常活跃。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。

图2.2008年8月1日日全食时太阳日冕 | 图源：Pasachoff et al. 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10^{28}-10^{32} erg，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射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，它将到达地球。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。

怎样才能看到日冕物质抛射？

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 Bernard Lyot 发明了第一台地面日冕仪，其基本设计是通过挡盘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的第一次清晰观测来自“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。高质量的观测数据显示，CME经常是长这样的：

图3.可见光日冕仪SOHO/LASCO C3 中的CME及其三分量结构 | 图源：NASA

打开CME观测新窗口

2022年左右我国首颗太阳探测卫星“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，分别为全日面矢量磁像仪（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打开了一个新的观测窗口，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。从可见光和莱曼阿尔法两个波段上看，CME的长相原来风格迥异。

图4.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研究，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。