太阳活动（太阳活动的类型和影响）

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”。

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。