太陽可以說是日地空間環(huán)境的主宰，它的一舉一動都會影響著空間環(huán)境的變化。太陽上常常會出現(xiàn)太陽耀斑和日冕物質(zhì)的拋射等劇烈活動，給地球磁層、電離層和中高層大氣，衛(wèi)星運(yùn)行和安全，以及人類健康，帶來嚴(yán)重影響和危害，以及通訊損壞。人們把這種由太陽活動引起的短時(shí)間尺度的變化，稱之為空間天氣。今天我們就來聊聊太陽上的那些事。
磁重聯(lián) magnetic reconnection
在宇宙中，許多能量爆發(fā)事件都被認(rèn)為是磁重聯(lián)觸發(fā)產(chǎn)生的，從太陽表面的太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象到近地空間天氣現(xiàn)象，例如極光。磁場穩(wěn)定存在時(shí)，磁力線相互平行，不會相互穿越和交叉，但是在某些特殊情況下，磁力線能夠被剪斷，然后重新聯(lián)結(jié)成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。在重新聯(lián)結(jié)成新結(jié)構(gòu)的過程中，磁力線的爆發(fā)性回彈會釋放巨大的能量，從而加速等離子和高能粒子，讓他們在太空中自由馳騁。
行星際磁場 Interplanetarymagnetic field, or IMF
當(dāng)太陽風(fēng)以每小時(shí)幾百里的速度從太陽源區(qū)吹出來的時(shí)候，它不僅夾帶著高能粒子，同時(shí)也會拖曳著太陽磁場中的磁力線與它一起在太空遨游，這些磁力線彌漫在太陽系就被稱為行星際磁場。當(dāng)行星際磁場與地磁場存在一定角度的偏斜時(shí)，行星際磁場就會與地磁場的磁力線發(fā)生磁重聯(lián)，從而使得太陽風(fēng)的粒子和能量直接注入地球內(nèi)磁層。
太陽耀斑 Solar flare
太陽耀斑是太陽大氣色球?qū)又芯植康耐蝗辉隽楷F(xiàn)象，由于耀斑的出現(xiàn)會釋放大量的能量，因此也被稱作色球爆發(fā)。什么機(jī)制觸發(fā)了耀斑到目前為止還沒有一個(gè)定論，但是它跟太陽磁場的復(fù)雜性和磁場聯(lián)的關(guān)系是顯而易見的。太陽耀斑爆發(fā)的能量相當(dāng)于幾百萬顆氫彈，可以說是太陽上最雄壯的爆發(fā)現(xiàn)象了。太陽耀斑釋放的電磁波以光速傳到地球通常只需要8分鐘，地球的衛(wèi)士-大氣層吸收了這些來自太陽的輻射，從而保護(hù)了我們?nèi)祟?。但是，太陽耀斑也會造成地球上電波通訊的中斷，短到幾分鐘，長到幾個(gè)小時(shí)，它與日冕物質(zhì)拋射存在某種聯(lián)系，仍待我們深入研究。
日冕物質(zhì)拋射Coronal mass ejection or CME
日冕物質(zhì)拋射是太陽大氣中的磁化等離子體由日面向行星際空間拋射的太陽物理現(xiàn)象。日冕物質(zhì)拋射極易和太陽耀斑現(xiàn)象混淆。太陽耀斑與日冕物質(zhì)拋射最大的區(qū)別就在于是否有物質(zhì)從太陽表面拋射出來。從這一點(diǎn)我們可以很好地分辨這兩個(gè)現(xiàn)象。到目前為止，日冕物質(zhì)拋射形成的機(jī)制仍然不是很清楚，但是可以確定的是磁重聯(lián)過程是這一現(xiàn)象的重要催化劑。一個(gè)巨大的日冕物質(zhì)拋射可以裹挾著一千萬噸的物質(zhì)以每小時(shí)幾百萬公里的速度在太陽系中傳播，拋射出來的巨大“磁云”可以擴(kuò)展到三千萬英里的范圍，這個(gè)尺度整整是太陽大小的35倍。通常在日冕物質(zhì)拋射三天后就會抵達(dá)地球的大氣層，在地球上刮起一陣強(qiáng)烈的地磁風(fēng)暴，引發(fā)空間天氣效應(yīng)。
極光Aurora
極光是夜間天空中出現(xiàn)絢麗多姿色彩的一種自然現(xiàn)象。極光現(xiàn)象通常只發(fā)生在南北半球的高緯度區(qū)域，極光經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域從天空中看下來呈現(xiàn)橢圓卵形，所以這一區(qū)域又被稱為極光橢圓帶。極光的出現(xiàn)是由于來自太陽風(fēng)的高能粒子沿著磁力線高速撞擊地球大氣層，距離地面60到200英里大氣層中的氧氣和氮?dú)鈴亩@得能量。氧離子等高能粒子的能量急需釋放，便由激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)發(fā)出璀璨的光芒，這就形成的大自然的極光之美。
等離子體Plasma
等離子體是由帶電粒子組成的一種物質(zhì)形態(tài)，就像氣體、液體和固體一樣存在于地球上。在地球的磁層、太陽風(fēng)和太陽大氣中都存在著大量的等離子體，所以我們也常常把日地空間稱為“等離子體的天然實(shí)驗(yàn)室”。等離子體是日地空間中最重要的一種物質(zhì)存在形式，它與磁場的耦合常常催生出許多重要的物理現(xiàn)象，例如磁重聯(lián)現(xiàn)象和磁凍結(jié)效應(yīng)。在一定條件下，我們可以通過觀察粒子的分布規(guī)律反演磁場的位形，也可以通過磁場的條件判斷粒子的運(yùn)動規(guī)律?？梢哉f等離子體是空間物理學(xué)一個(gè)不可分割的重要部分。
磁層頂Magnetopause
磁層頂是作為一種磁層上邊界而存在的。最早這個(gè)概念提出來是為了區(qū)分太陽風(fēng)磁場（太陽風(fēng)等離子體）和地磁場。起初，科學(xué)家并沒有認(rèn)識到太陽風(fēng)的存在，簡單地認(rèn)為這個(gè)邊界是太陽間歇性的微粒流產(chǎn)生的，并不是一直都有，而僅僅是在太陽活動期間一種間歇性的存在。但是對彗尾的分析表明了太陽風(fēng)的存在，從而證實(shí)了磁層頂存在的永久性。
在最簡單的近似中，磁層頂認(rèn)為是一個(gè)把真空磁場和等離子區(qū)域分開的邊界。它由邊界層兩邊的總壓力平衡來準(zhǔn)確計(jì)算，準(zhǔn)確的來說就是磁鞘層的壓強(qiáng)（主要是太陽風(fēng)動壓）和磁層內(nèi)壓強(qiáng)（主要是磁壓）的平衡分界面。磁層頂是封閉的，也就是說沒有磁力線的穿越，法向分量為零。磁層頂并不是簡單地薄薄一層，里面存在著許多波動和不穩(wěn)定性，因此對它更深層次的了解仍需深入研究。
磁尾Magetotail
地球磁尾指的是地球磁層背陽面向后面延伸的區(qū)域，通?？梢匝由斓綆装賯€(gè)地球半徑，這是磁層中一個(gè)特別重要的區(qū)域。它的發(fā)現(xiàn)可就沒有磁層頂那么波折了，早在上個(gè)世紀(jì)60年代，飛行器就證明了磁尾地存在。磁尾就像是一個(gè)等離子體和能量的倉庫，在磁層亞暴的過程中，能量和粒子正是通過磁尾的一系列物理過程，被不斷地注入到內(nèi)磁層。
磁尾由尾瓣和等離子片組成，等離子體片是一個(gè)熱等離子體聚集的區(qū)域，正是這個(gè)區(qū)域?qū)⒛媳眱蓸O磁場不同的兩個(gè)尾瓣分開。磁尾的磁力線都是一端連著地球兩極的開放磁力線，具有非常好的性質(zhì)，可以認(rèn)為磁力線即是等勢線，這樣我們就可以通過觀測電離層極蓋區(qū)參數(shù)的變化了解磁尾的相關(guān)性質(zhì)了。
磁暴Geomagnetic storm
磁暴是地磁場較大的擾動現(xiàn)象。磁暴常常發(fā)生在來自太陽的巨大能量與地磁系統(tǒng)相互耦合的過程中，例如日冕物質(zhì)拋射或者高速太陽風(fēng)傳播到地球附近時(shí)。在磁層內(nèi)部，當(dāng)磁力線出現(xiàn)反向平行分量時(shí)，就會發(fā)生磁重聯(lián)，磁重聯(lián)能夠?qū)⒘Ｗ雍湍芰孔⑷雰?nèi)磁層，從而影響地磁活動。強(qiáng)磁暴會影響電波通訊信號，造成供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電流意想不到的激增。磁暴同樣也可以分為初相、主相和恢復(fù)相三個(gè)時(shí)期。初相時(shí)期，太陽風(fēng)的動壓使得磁層頂不斷被壓縮，磁層頂電流加大，地面磁場出現(xiàn)短暫增強(qiáng)現(xiàn)象。一段時(shí)間過后，磁場出現(xiàn)下降，下降時(shí)還伴隨有強(qiáng)烈擾動，就這是磁暴的主相，在主相期間常常還會發(fā)生多次亞暴。此外，磁暴的主相常常伴隨著各種極光和地磁效應(yīng)。最后在磁暴的恢復(fù)相，各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)到暴前水平。磁暴持續(xù)的事件一般比亞暴要長。
磁層亞暴Substorm
磁層亞暴是地磁場的短暫擾動現(xiàn)象，通常持續(xù)2~3個(gè)小時(shí)，由成長相、膨脹相和恢復(fù)相組成。當(dāng)行星際磁場出現(xiàn)南向分量時(shí)，行星際磁場會在向陽面磁層頂與地磁場發(fā)生重聯(lián)，使得太陽風(fēng)的能量向磁層內(nèi)部傳輸，部分能量傳輸?shù)搅舜艑咏Y(jié)構(gòu)的磁尾中，這個(gè)過程構(gòu)成了亞暴的第一相-成長相。在隨后的膨脹相中，儲存在磁尾中的能量將以激烈的方式耗散。這時(shí)內(nèi)磁層的磁力線從尾狀位形變?yōu)榻婆紭O場位形，磁場的偶極化過程中磁尾等離子體片的粒子加速并注入內(nèi)磁層。這時(shí)等離子體片變薄，越尾電流減弱。到了恢復(fù)相，磁層又重新回到平靜狀態(tài)。一般來說，在磁暴期間，亞暴發(fā)生的更加頻繁、劇烈，但是到目前為止，磁暴與亞暴的相互關(guān)系仍具有爭議。
來源：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
