還記得嗎？2017年9月6日，太陽(yáng)爆發(fā)了十多年來(lái)最大的耀斑。此次耀斑事件導(dǎo)致幾乎整個(gè)地球朝向太陽(yáng)一側(cè)的高頻無(wú)線電通信大范圍失靈，失聯(lián)長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)。

3月23日，《自然-物理》（Nature Physics）上發(fā)表有關(guān)此次太陽(yáng)耀斑影響地球空間的科學(xué)研究成果。該研究中，論文第一和通訊作者、山東大學(xué)空間科學(xué)研究院劉晶教授帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)充分利用相關(guān)觀測(cè)“利器”發(fā)現(xiàn)，耀斑所產(chǎn)生的電離層效應(yīng)足以影響包括廣袤磁層在內(nèi)整個(gè)地球空間，而不僅局限于先前認(rèn)為的高層大氣區(qū)域。

太陽(yáng)耀斑影響整個(gè)地球空間的示意圖（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

電離層受擾動(dòng)

耀斑，是太陽(yáng)大氣上局部區(qū)域最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，在短短一二十分鐘內(nèi)耀斑可釋放出相當(dāng)于幾十億顆百萬(wàn)噸級(jí)氫彈爆炸當(dāng)量的能量，導(dǎo)致幾乎全波段電磁輻射如X射線、極紫外線輻射等突然增強(qiáng)。。

根據(jù)強(qiáng)度遞增，耀斑分為A、B、C、M、X五個(gè)等級(jí)，其中M、X級(jí)耀斑的爆發(fā)會(huì)給地球空間環(huán)境造成顯著影響。2017年9月6日世界時(shí)09:10，太陽(yáng)爆發(fā)了一個(gè)X2.2級(jí)的耀斑；3個(gè)小時(shí)之后，一個(gè)更大的X9.3級(jí)耀斑爆發(fā)，是第24太陽(yáng)活動(dòng)周最強(qiáng)耀斑。

據(jù)當(dāng)時(shí)的報(bào)道，這是一個(gè)“十年級(jí)”的耀斑。在1976年以來(lái)記錄的最強(qiáng)太陽(yáng)耀斑列表中，它排在第14位，與1990年的大爆發(fā)類似。

無(wú)線電通信中斷是此次耀斑給人們帶來(lái)的切身感受。劉晶向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹：“這一現(xiàn)象與距離地面以上60-1000千米的電離層有關(guān)?！碑?dāng)耀斑爆發(fā)時(shí)，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的迅速增強(qiáng)，大氣中的電離過(guò)程顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致其中的電子密度迅速升高，并引起突發(fā)電離層擾動(dòng)，導(dǎo)致高頻無(wú)線電波突然衰減甚至消失，影響導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)傳輸和定位精度等。

此外，耀斑還能加熱中性氣體，增加低地球軌道航天器高度上的大氣密度與阻力，使得航天器需消耗更多燃料維持既定軌道，從而影響其工作壽命。

磁層“加持”

對(duì)于電離層以外的更高區(qū)域，耀斑能否去“觸碰”？這是空間科學(xué)家一直想要了解的問(wèn)題。

劉晶帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)將目光集中在距離地面約1000千米以上的地球磁層。這是一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍，并受地球磁場(chǎng)與太陽(yáng)風(fēng)磁層共同影響和控制、完全電離的區(qū)域。

由于太陽(yáng)風(fēng)粒子無(wú)法橫跨地球磁層而直接進(jìn)入地球空間，科學(xué)家將磁層視為地球抵御太陽(yáng)風(fēng)粒子“攻擊”的“屏障”或“鎧甲”。但是，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的磁場(chǎng)方向相反時(shí)，源自雙方區(qū)域的磁力線會(huì)“連”在一起并相互貫通，導(dǎo)致太陽(yáng)風(fēng)中的粒子直接傳輸至地球空間。

那么，以增強(qiáng)輻射為主要特征的耀斑過(guò)程，除了直接影響地球電離層區(qū)域外，能否也像太陽(yáng)風(fēng)那樣引起磁層區(qū)域的擾動(dòng)呢？最新的這項(xiàng)研究證實(shí)，在2017年那次大耀斑爆發(fā)時(shí)，耀斑所產(chǎn)生的電離層效應(yīng)通過(guò)電動(dòng)力學(xué)耦合擴(kuò)展，足以影響包含磁層在內(nèi)的整個(gè)地球空間，而不僅局限于先前認(rèn)為的地球高層大氣區(qū)域。

2017 年 9 月 6 日，有無(wú)太陽(yáng)耀斑效應(yīng)情形下，磁層-電離層-熱層理論模型（LTR）模擬的磁層赤道平面等離子體對(duì)流速度 (a-c) 和極區(qū)電離層電勢(shì)分布圖 (d-f)。箭頭表示投影到赤道平面上的對(duì)流速度的方向和大小。模擬有 (a, d) 和無(wú) (b, e) 太陽(yáng)耀斑效應(yīng)及其差異 (c, f) 的結(jié)果。（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

具體機(jī)制是，耀斑發(fā)生時(shí)，突然增強(qiáng)的太陽(yáng)輻射導(dǎo)致電離層電導(dǎo)率迅速增加，增強(qiáng)了“鎧甲”磁層抵御太陽(yáng)風(fēng)的能力，而使太陽(yáng)風(fēng)“擊穿”磁層進(jìn)入地球空間變得更加困難，減少太陽(yáng)風(fēng)和磁層向地球高空大氣的能量注入。也就是說(shuō)，耀斑發(fā)生時(shí)，地球磁層成為避免受太陽(yáng)風(fēng)影響的一個(gè)“自我保護(hù)”機(jī)制。

相關(guān)專家認(rèn)為，這一結(jié)論更新了人們對(duì)太陽(yáng)-磁層-電離層耦合過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

采用多項(xiàng)“利器”

該研究中，為深入研究太陽(yáng)耀斑如何影響地球空間的科學(xué)問(wèn)題，科研團(tuán)隊(duì)采用了多項(xiàng)先進(jìn)“利器”獲得足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

據(jù)劉晶介紹，研究采用了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲非相干散射雷達(dá)網(wǎng)、覆蓋南北極區(qū)的超級(jí)雙子極光雷達(dá)網(wǎng)、電離層衛(wèi)星和月球軌道衛(wèi)星等基礎(chǔ)設(shè)施。“它們提供了日側(cè)太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用、全球磁層-極區(qū)電離層大尺度對(duì)流，沿磁力線的場(chǎng)向電流和全球電離層電子密度等多參量、多區(qū)域觀測(cè)?！?/p>

同時(shí)，這項(xiàng)研究還結(jié)合了大型數(shù)值模式：高時(shí)空分辨率磁層-電離層-熱層理論模型（LTR）數(shù)值模擬結(jié)果，再現(xiàn)了觀測(cè)到的由耀斑觸發(fā)的磁層-電離層耦合系統(tǒng)變化，首次揭示了耀斑對(duì)磁層的影響。據(jù)悉，劉晶參與開發(fā)了LTR模式中與電離層、磁層作用過(guò)程有關(guān)的部分關(guān)鍵模塊。

對(duì)此，業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，這一新發(fā)現(xiàn)有望改進(jìn)現(xiàn)有的磁層-電離層耦合模型，即在模型中采用更高時(shí)間分辨率的時(shí)變太陽(yáng)輻射光譜，提升模型診斷地球空間響應(yīng)太陽(yáng)瞬時(shí)輻射變化的能力，為預(yù)測(cè)包括磁層在內(nèi)的整個(gè)地球空間響應(yīng)太陽(yáng)瞬時(shí)輻射變化奠定了理論基礎(chǔ)。

此外，劉晶指出，這項(xiàng)研究為探索和理解太陽(yáng)耀斑對(duì)其他行星的影響提供新的線索，這將為科學(xué)家們研究空間天氣、行星大氣和系外行星宜居性提供參考。“例如，研究耀斑對(duì)同樣具有磁層的木星、金星和土星等其他行星所產(chǎn)生的影響，可以洞悉此類行星早期的大氣演化，揭秘究竟是怎樣的‘幕后推手’阻礙其生命出現(xiàn)的機(jī)會(huì)?！?/p>

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01203-5



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