撰文 | 宋喬 楊書(shū)紅

　　當(dāng)?shù)貢r(shí)間2017年8月21日上午，一道巨大的陰影籠罩了北美大地。此時(shí)的月球正好運(yùn)行到地球和太陽(yáng)之間，把太陽(yáng)的光芒遮住，形成了日食。在陰影的中心地帶，西起美國(guó)俄勒岡州，東到南卡羅來(lái)納州的廣大土地上，成千上萬(wàn)的人目睹了日全食的壯麗景象。天空變暗了，仿佛黃昏突然降臨，金星、火星和軒轅十四在天空中閃亮。太陽(yáng)變成一個(gè)黑色的圓盤(pán)，圓盤(pán)周?chē)l(fā)出奇異的白色光芒，并有三條細(xì)長(zhǎng)的光帶一直延伸到幾個(gè)太陽(yáng)半徑遠(yuǎn)的地方(圖1)。筆者有幸在俄勒岡州觀看這次日全食，感受到了美國(guó)人民對(duì)日全食的熱情，21日當(dāng)天是工作日，有不少人專(zhuān)門(mén)請(qǐng)假去看日食，有人舉家開(kāi)車(chē)奔赴全食帶觀看，還有人千里迢迢從阿拉斯加州趕來(lái)觀看。平時(shí)我們司空見(jiàn)慣的太陽(yáng)，突然變成了大熱門(mén)。

圖1 2017年8月21日日全食照片(羅森加滕拍攝于美國(guó)俄勒岡州馬德拉斯)，

　　黑色圓盤(pán)是被月球完全遮住的太陽(yáng)光球，邊緣的紅色特征屬于色球，最外面的白色光芒是日冕結(jié)構(gòu)，注意左上角那個(gè)小白點(diǎn)，就是獅子座的一等星軒轅十四

　　日全食大戲的男主角太陽(yáng)是離地球最近的一顆恒星，距離我們約1.5 億千米，半徑約70萬(wàn)千米，是太陽(yáng)系內(nèi)最大的天體，被稱(chēng)為我們的恒星。女主角月亮是地球的天然衛(wèi)星，距離我們約38萬(wàn)千米，半徑約為地球的四分之一，即1700千米左右。太陽(yáng)和月亮的半徑相差約400倍，兩者相對(duì)地球距離也相差400倍左右，同時(shí)地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道平面(黃道面)與月亮繞地球運(yùn)行的軌道平面(白道面)之間的夾角只有5度左右。這一系列合適條件使得在某些特定時(shí)刻，月球可以不偏不倚地跑到地球和太陽(yáng)之間，并剛好遮住太陽(yáng)圓面，讓地球上特定地區(qū)的人們看到日全食。

　　對(duì)于某個(gè)地區(qū)的人們來(lái)說(shuō)，日全食大戲并不常見(jiàn)。像我國(guó)這樣幅員遼闊的國(guó)家，可能也要二三十年才有一次，比如上一次日全食是2009 年7月在長(zhǎng)江流域出現(xiàn)的，下一次要到2034年3月在西藏西南部才能看到，之后2035年9月的日全食將橫貫我國(guó)北方廣大地區(qū)，會(huì)更容易觀測(cè)到。即使在理想的情況下，落到地球表面上的月球本影直徑也只有幾百千米，這團(tuán)陰影會(huì)以幾千千米每秒的速度從西向東掃過(guò)地球表面，位于地球上某個(gè)固定地點(diǎn)的人最多只能看到7分半鐘的日全食，不少日全食只持續(xù)兩三分鐘，有人甚至專(zhuān)門(mén)乘坐飛機(jī)追逐月球的影子，只為多看幾眼日全食這一罕見(jiàn)的奇觀。

　　對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，日全食是一種壯觀的體驗(yàn)；對(duì)天文學(xué)家而言，日全食是一次難得的觀測(cè)機(jī)會(huì)。為了觀測(cè)本次美國(guó)日全食，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)、北京大學(xué)、四川理工學(xué)院等多支中國(guó)團(tuán)隊(duì)攜帶儀器跨越大洋，到美國(guó)俄勒岡州首府塞勒姆西邊的小鎮(zhèn)達(dá)拉斯安營(yíng)扎寨。為了能在短短兩分鐘的全食階段取得更多更好的觀測(cè)數(shù)據(jù)，各團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了周密細(xì)致的準(zhǔn)備工作，并在日全食期間協(xié)調(diào)指揮，最終保證了觀測(cè)的成功。云南天文臺(tái)的第一代光纖陣列太陽(yáng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、日冕綠線(xiàn)中等帶寬濾光成像望遠(yuǎn)鏡、白光線(xiàn)偏振望遠(yuǎn)鏡、北京大學(xué)的折射式大視場(chǎng)太陽(yáng)成像望遠(yuǎn)鏡、四川理工學(xué)院的折射式太陽(yáng)半徑測(cè)量望遠(yuǎn)鏡均獲得了可喜的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　千百年來(lái)，太陽(yáng)不僅為我們上演日全食奇景，還一直推動(dòng)著物理學(xué)的發(fā)展，堪稱(chēng)是一座無(wú)與倫比的巨型物理實(shí)驗(yàn)室。古時(shí)候一些有識(shí)之士因?yàn)榭吹教?yáng)上的黑點(diǎn)(太陽(yáng)黑子)，認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)并不是完美無(wú)缺的，將太陽(yáng)從神話(huà)和宗教范疇，拉到了科學(xué)和物理的領(lǐng)域。到了近代和現(xiàn)代，這一進(jìn)程大大加速了。

　　1802年，一個(gè)叫沃拉斯頓的英國(guó)化學(xué)家讓陽(yáng)光穿過(guò)狹縫和三棱鏡照到白紙上，發(fā)現(xiàn)有很多黑色豎線(xiàn)散布在七彩光帶上，他以為這是“顏色的分界線(xiàn)”。后來(lái)，德國(guó)物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)仔細(xì)研究了這些黑線(xiàn)，還給它們一一做了編號(hào)，所以現(xiàn)在我們稱(chēng)之為夫瑯和費(fèi)線(xiàn)。隨著光譜學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)不同的物質(zhì)會(huì)有不同的發(fā)射和吸收譜線(xiàn)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)室光譜進(jìn)行對(duì)比，德國(guó)海德堡大學(xué)的基爾霍夫和本生終于揭開(kāi)了太陽(yáng)夫瑯和費(fèi)線(xiàn)的奧秘，發(fā)現(xiàn)了一種通過(guò)光譜確定物質(zhì)化學(xué)成分的方法。有了這種方法，人類(lèi)可以不必登陸采樣，就能夠通過(guò)恒星光譜分析遙遠(yuǎn)恒星的化學(xué)成分，從而確定它們的類(lèi)型、年齡并預(yù)測(cè)將來(lái)的演化。

　　1868年8月，法國(guó)天文學(xué)家簡(jiǎn)森在印度觀測(cè)日食時(shí)，對(duì)日珥進(jìn)行了光譜研究，發(fā)現(xiàn)了一條黃色譜線(xiàn)，這條譜線(xiàn)與當(dāng)時(shí)已知的元素都對(duì)不上號(hào)。同年10月，英國(guó)天文學(xué)家洛克耶爾也在日珥光譜中觀測(cè)到了同樣的陌生譜線(xiàn)。當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為這條譜線(xiàn)代表了一種太陽(yáng)上特有的元素，將其命名為Helium(來(lái)自希臘語(yǔ)，意思是太陽(yáng))，后來(lái)我們知道這種元素就是氦?，F(xiàn)在，通過(guò)對(duì)夫瑯和費(fèi)線(xiàn)的研究，我們?cè)谔?yáng)低層大氣中證認(rèn)了67種元素，以及各種激發(fā)和電離態(tài)的原子。

　　1905年，愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論理論，隨后他又將狹義相對(duì)論推廣至非慣性系，提出了著名的等效原理，創(chuàng)立了廣義相對(duì)論。按照廣義相對(duì)論，光線(xiàn)會(huì)在引力作用下發(fā)生偏折，偏折的角度與產(chǎn)生引力場(chǎng)的物體的質(zhì)量大小有關(guān)。在我們地球附近，質(zhì)量最大的物體無(wú)疑是太陽(yáng)，愛(ài)因斯坦在其1911年的論文中呼吁大家通過(guò)太陽(yáng)附近恒星光線(xiàn)的偏折來(lái)驗(yàn)證他的理論。我們都知道白天有太陽(yáng)的時(shí)候就很難看見(jiàn)星星，晚上有星星的時(shí)候又看不到太陽(yáng)，那么什么時(shí)候可以在太陽(yáng)附近看到星星呢？在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，觀測(cè)日全食是最好的選擇。

　　愛(ài)因斯坦的論文引起了一位英國(guó)天文學(xué)家的注意，這位天文家就是愛(ài)丁頓。1919年5 月，愛(ài)丁頓組織了兩支觀測(cè)隊(duì)，分別奔赴非洲和南美，以驗(yàn)證日全食時(shí)星光的偏折。這次日全食觀測(cè)可謂天時(shí)地利人和，首先全食時(shí)間接近7分鐘，且太陽(yáng)正好位于一個(gè)明亮的星團(tuán)附近，這樣就有充足的時(shí)間和明亮的恒星進(jìn)行更準(zhǔn)確的觀測(cè)；其次，當(dāng)時(shí)第一次世界大戰(zhàn)已經(jīng)結(jié)束，英國(guó)日食遠(yuǎn)征隊(duì)不用擔(dān)心德國(guó)潛艇的威脅了；最后，愛(ài)丁頓本人是和平主義者又是用英語(yǔ)宣講相對(duì)論的第一人，他不在乎相對(duì)論是一種看起來(lái)多么古怪難懂的新理論，也不在乎提出者是來(lái)自敵國(guó)的科學(xué)家，而是對(duì)日全食觀測(cè)投入了極大的熱情。愛(ài)丁頓帶領(lǐng)日食遠(yuǎn)征隊(duì)克服了長(zhǎng)途旅行的勞累、惡劣環(huán)境的影響和糟糕天氣的干擾，終于完成了對(duì)星光偏折的驗(yàn)證，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論取得了一次偉大的勝利。

　　在近百年后的今天，借助大型天文望遠(yuǎn)鏡和日冕儀等儀器，我們已經(jīng)可以在白天觀測(cè)星星，可以用日冕儀擋板遮住太陽(yáng)的光芒，不需要等到日全食再遠(yuǎn)赴重洋進(jìn)行星光偏折的驗(yàn)證了。我們也在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，看到了由星系團(tuán)等極大質(zhì)量的天體的引力所形成的愛(ài)因斯坦環(huán)、愛(ài)因斯坦十字等神奇的景象；我們甚至探測(cè)到了由黑洞、中子星等致密天體合并產(chǎn)生的引力波。2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三名美國(guó)科學(xué)家韋斯、巴里什和索恩，以表彰他們?cè)贚IGO引力波探測(cè)器和引力波觀測(cè)方面做出的決定性貢獻(xiàn)。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在茫茫宇宙中不斷得到新的驗(yàn)證，同時(shí)也指引著我們?nèi)ヌ剿鞲鼜V闊的宇宙。

　　現(xiàn)代天文學(xué)的主要核心——天體物理——是將宇宙和其中的天體作為物理對(duì)象來(lái)研究的一門(mén)學(xué)科。受目前觀測(cè)技術(shù)的限制，即使是使用最好的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)鄰近的明亮恒星，也難以對(duì)其表面特征進(jìn)行詳細(xì)分析。太陽(yáng)作為一顆典型的、目前唯一可以詳細(xì)研究的恒星，其重要性不言而喻，可以說(shuō)正是對(duì)太陽(yáng)這座恒星級(jí)實(shí)驗(yàn)室的研究，奠定了我們對(duì)其他恒星理解的基礎(chǔ)。

　　太陽(yáng)如圖2所示從內(nèi)到外分為日核、輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)、光球、色球、過(guò)渡區(qū)和日冕等層次。最內(nèi)層的日核只占據(jù)太陽(yáng)體積的1.56%，但是日核中進(jìn)行的核聚變反應(yīng)卻是太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的能量源頭。值得一提的是，日核中的核聚變反應(yīng)是非常溫和的，因?yàn)槿蘸说臏囟群兔芏冗€不夠高，所以需要借助量子隧穿效應(yīng)核聚變反應(yīng)才可以發(fā)生，也就是說(shuō)在一定時(shí)間內(nèi)只有很小一部分比例的氫聚變成了氦。計(jì)算表明，單位時(shí)間單位體積的日核物質(zhì)聚變產(chǎn)生的能量可能跟新鮮肥料堆差不多。因此太陽(yáng)巨大的能量輸出主要依賴(lài)于它巨大的體積，每秒日核里面都有6億噸氫原子發(fā)生聚變，放出大量的高能γ光子和中微子。

圖2 太陽(yáng)結(jié)構(gòu)和耀斑等活動(dòng)現(xiàn)象的示意圖

　　看到這里可能有人要問(wèn)，為什么太陽(yáng)核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的是高能的γ光子，但是我們測(cè)量太陽(yáng)光譜得到卻是以可見(jiàn)光等較低能量的光子為主呢？這就要感謝輻射區(qū)了。在輻射區(qū)中，日核產(chǎn)生的高能光子不斷地被高溫物質(zhì)吸收和發(fā)射，光子的能量逐漸降低，頻率變低，波長(zhǎng)變長(zhǎng)。同時(shí)光子的運(yùn)動(dòng)路徑也隨之不斷改變，穿越輻射區(qū)的路途變得格外曲折。好在輻射區(qū)溫度和密度都是從內(nèi)向外不斷降低的，所以只要給四處亂轉(zhuǎn)的光子足夠長(zhǎng)的時(shí)間，比如幾十萬(wàn)年，它們最終還是可以穿越輻射區(qū)的。從輻射區(qū)往外是對(duì)流區(qū)，這里和輻射區(qū)一樣，對(duì)光子來(lái)說(shuō)也是不透明的，也就是說(shuō)這一層的光子無(wú)法直接到達(dá)地球。與輻射區(qū)靠光子傳遞能量不同，對(duì)流區(qū)的溫度梯度足夠大，導(dǎo)致物質(zhì)發(fā)生對(duì)流，它們像煮沸的水一樣不斷翻騰，將能量送到太陽(yáng)表面。太陽(yáng)表面的意思是說(shuō)，從這里發(fā)出的光子終于可以向外傳播并到達(dá)我們的眼睛了，所以我們叫它光球。太陽(yáng)半徑、表面溫度等許多參數(shù)都是從光球?qū)拥玫降?。光球以下的部分叫作太?yáng)內(nèi)部，太陽(yáng)內(nèi)部溫度、密度等參數(shù)的分布可以通過(guò)模型計(jì)算出來(lái)。目前通用的模型叫作標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型，該模型的計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)吻合的不錯(cuò)，我們關(guān)于太陽(yáng)內(nèi)部如何分層的知識(shí)就是來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型。像我們地球內(nèi)部有地震一樣，太陽(yáng)內(nèi)部也有震動(dòng)。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)表面多普勒速度分布進(jìn)行精確測(cè)量，我們可以計(jì)算太陽(yáng)內(nèi)部的狀態(tài)，這就是日震學(xué)的基本原理。通過(guò)日震學(xué)的幫助，我們可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的參數(shù)進(jìn)行修正，使其更精確地反映太陽(yáng)內(nèi)部的物理狀態(tài)。

　　標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型也遇到過(guò)挑戰(zhàn)，在解決挑戰(zhàn)的過(guò)程中又產(chǎn)生了一次諾貝爾獎(jiǎng)。前面說(shuō)到日核的聚變反應(yīng)產(chǎn)生光子和中微子，與四處亂撞的光子不同，中微子幾乎不和其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，所以有人叫它“害羞的粒子”。太陽(yáng)從核心到表面70萬(wàn)千米的路程，中微子只要2秒多點(diǎn)兒就能跑完?？茖W(xué)家在地下建造巨大的儀器，以探測(cè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)探測(cè)到的中微子數(shù)量和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型預(yù)計(jì)的不一致，有約三分之二的中微子不見(jiàn)了。雖然一開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的正確性受到了懷疑，但最后結(jié)果表明其實(shí)是當(dāng)時(shí)對(duì)中微子性質(zhì)的認(rèn)識(shí)還不夠深入。梶田隆章和麥克唐納因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，在粒子物理領(lǐng)域開(kāi)辟了新的疆土”而獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這也是中微子相關(guān)研究第四次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

　　相比中微子，我們?nèi)祟?lèi)更熟悉電磁輻射，連我們的眼睛都進(jìn)化成能很好的接收太陽(yáng)電磁輻射中最主要的部分，并把這部分稱(chēng)為可見(jiàn)光。17 世紀(jì)初，當(dāng)?shù)谝患芡h(yuǎn)鏡指向天空，觀測(cè)的也是可見(jiàn)光，所以目前為止我們對(duì)太陽(yáng)實(shí)驗(yàn)室的可以看到的外層部分——太陽(yáng)大氣的了解要更為詳細(xì)。太陽(yáng)大氣中時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行著等離子體物理實(shí)驗(yàn)，其中一個(gè)重要的參數(shù)是磁場(chǎng)。在光球、色球、過(guò)渡區(qū)和日冕等各個(gè)層次上都有多種多樣的、與磁場(chǎng)相關(guān)的活動(dòng)現(xiàn)象存在，其中最廣為人知的就是太陽(yáng)黑子。

　　古人很早就注意到太陽(yáng)明亮圓盤(pán)上有黑色斑點(diǎn)存在?！稘h書(shū)·五行志》中記載：“河平元年……三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢(qián)，居日中央”，這里的“黑氣大如錢(qián)”指的就是太陽(yáng)黑子。黑子等活動(dòng)特征聚集的區(qū)域被稱(chēng)為太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)。太陽(yáng)大氣的不同層次因其溫度、密度等物理參數(shù)的差異，常常需要在不同波段進(jìn)行觀測(cè)（如圖3所示）。太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的外貌根據(jù)所使用的觀測(cè)波段和角度的不同會(huì)有較大變化，就好比在可見(jiàn)光、紅外、X射線(xiàn)波段會(huì)拍出不同的人體照片一樣。日面上的活動(dòng)區(qū)在光球上常常表現(xiàn)為由光斑圍繞的黑子群，其大小約為一萬(wàn)到十萬(wàn)千米的量級(jí)，相當(dāng)于一個(gè)甚至幾十個(gè)地球直徑大小，面積約占太陽(yáng)表面的1%~2%，壽命從幾天到幾個(gè)月不等。在色球上，活動(dòng)區(qū)常常表現(xiàn)為日面上的譜斑和活動(dòng)區(qū)暗條，以及日面邊緣Hα波段的明亮日珥。在日冕中，活動(dòng)區(qū)的尺度往往較大，表現(xiàn)為極紫外波段的冕環(huán)、日冕凝聚物和X射線(xiàn)增強(qiáng)區(qū)。

圖3 太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)（SDO）衛(wèi)星拍攝的太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)在不同波段的圖像，右下角的黑白圖為縱向磁圖，該圖視場(chǎng)范圍約20萬(wàn)千米

　　太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)是強(qiáng)磁場(chǎng)聚集的地方，單個(gè)活動(dòng)區(qū)的磁通量一般為10^19~5×10^22麥克斯韋。當(dāng)大量磁通量從光球下不斷浮現(xiàn)出來(lái)，一個(gè)活動(dòng)區(qū)就誕生了。活動(dòng)區(qū)在時(shí)間和空間上的分布是由太陽(yáng)磁場(chǎng)整體變化確定的。活動(dòng)區(qū)和黑子的數(shù)目都有一個(gè)大致為11年的周期，稱(chēng)為太陽(yáng)活動(dòng)周（圖4）?；顒?dòng)區(qū)和黑子數(shù)目在活動(dòng)周峰年較多，可見(jiàn)日面上經(jīng)常同時(shí)存在多個(gè)活動(dòng)區(qū)；到了活動(dòng)周谷年的時(shí)候，有時(shí)會(huì)連續(xù)很多天日面上一個(gè)黑子都沒(méi)有。我們現(xiàn)在處于第24個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的尾巴上，有時(shí)候連續(xù)幾天都看不到黑子的蹤影，但這并不等于平靜無(wú)事，比如2017年9月份的時(shí)候，太陽(yáng)突然爆發(fā)了一次十二年來(lái)最大的耀斑，給很多研究人員帶來(lái)了驚喜。

圖4 第23太陽(yáng)活動(dòng)周太陽(yáng)活動(dòng)的變化

　　暗條和日珥是太陽(yáng)大氣中另外一種常見(jiàn)特征，它們其實(shí)是同一種東西。在Hα等色球溫度的波段上它們通常呈現(xiàn)為比日面背景更暗的條帶狀結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)為暗條；當(dāng)其位于日面邊緣時(shí)，通常表現(xiàn)為比天空背景更亮的突出狀結(jié)構(gòu)，所以叫作日珥。暗條或日珥一般位于日冕高度上，但在日冕波段的圖像上卻不能被觀測(cè)到或者呈現(xiàn)為吸收特征，這表明它們比其周?chē)彰嵛镔|(zhì)溫度更低、密度更大。日珥最初是日全食時(shí)在太陽(yáng)邊緣被發(fā)現(xiàn)的，但直到1860年日全食時(shí)通過(guò)照相術(shù)的幫助，人們才確認(rèn)日珥是太陽(yáng)上的特征，而不是來(lái)自地球大氣的影響。隨著日冕儀、單色光照相儀等觀測(cè)儀器的發(fā)明，以及望遠(yuǎn)鏡空間分辨率的提高，在非日全食時(shí)也能觀測(cè)到日珥和暗條。觀測(cè)表明，暗條或日珥也是由磁場(chǎng)主導(dǎo)的，它們通常位于光球磁反轉(zhuǎn)線(xiàn)上方，是高溫稀薄的日冕中的較冷較致密的等離子團(tuán)，主要由氫和氦構(gòu)成，通常具有較低的電離態(tài)。暗條或日珥本身并不是均勻的，存在大量精細(xì)的、快速變化的亞角秒尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)（圖5）。當(dāng)暗條或日珥爆發(fā)時(shí)，可能伴隨有日冕物質(zhì)拋射和耀斑等爆發(fā)事件。

圖5 瑞典1米太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（SST）觀測(cè)的暗條細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，右下角是該暗條與地球大小的比較

　　1895 年，卡林頓和霍奇森分別在白光太陽(yáng)像上發(fā)現(xiàn)一個(gè)大活動(dòng)區(qū)局部突然變亮，這是一次太陽(yáng)白光耀斑，這次極為劇烈的爆發(fā)事件被稱(chēng)為卡林頓事件。耀斑(Flare)的“耀”字說(shuō)的是它的猛烈。炎炎夏日讓我們體會(huì)到陽(yáng)光的威力，而耀斑除了可見(jiàn)光(白光)和射電波之外，還有大量的X射線(xiàn)、極紫外等高能光子，其猛烈程度可想而知。20世紀(jì)后期，因?yàn)槿藗冊(cè)贖α波段觀測(cè)到了分離的耀斑雙帶和膨脹的耀斑后環(huán)，耀斑開(kāi)始被認(rèn)為是一種色球現(xiàn)象，隨后的X射線(xiàn)和射電觀測(cè)表明耀斑的一系列重要過(guò)程都是發(fā)生在日冕中的。一般認(rèn)為耀斑的能量來(lái)自于磁場(chǎng)，當(dāng)扭纏的磁力線(xiàn)發(fā)生重聯(lián)時(shí)，巨大的能量就被釋放出來(lái)。耀斑有時(shí)候會(huì)伴隨有日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象（圖6）。

圖6 SOHO衛(wèi)星拍攝的一次壯觀的日冕物質(zhì)拋射

　　日冕物質(zhì)拋射(CME)是太陽(yáng)大氣中常見(jiàn)的大尺度爆發(fā)現(xiàn)象，可在短時(shí)間內(nèi)將大量物質(zhì)和磁場(chǎng)拋向行星際空間。雖然早年人們?cè)谟^測(cè)日全食的時(shí)候就偶然看到過(guò)CME的蹤跡，但是CME被真正認(rèn)識(shí)和了解，還是在20世紀(jì)后半葉日冕儀和空間觀測(cè)出現(xiàn)之后。在白光日冕儀的圖像上，CME由于投影效應(yīng)等原因展現(xiàn)出多樣的形態(tài)，如泡狀、環(huán)狀、暈狀和扇形等。當(dāng)它們朝向地球方向時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生較大的對(duì)地效應(yīng)。CME投影速度從20千米每秒到2000千米每秒都有分布，有的甚至高達(dá)3500千米每秒。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，CME物質(zhì)外流帶來(lái)的密度增大一直持續(xù)到7個(gè)太陽(yáng)半徑處，CME平均質(zhì)量約為1.6×10^12千克。通過(guò)質(zhì)量和速度估計(jì)可得，一個(gè)典型的CME具有約10^22~10^27焦耳的動(dòng)能和勢(shì)能，與耀斑事件的能量相當(dāng)。

　　冕洞也是太陽(yáng)大氣中的常見(jiàn)特征，它們是日冕中低溫低密的區(qū)域，在X射線(xiàn)和紫外等波段太陽(yáng)圖像上的通常表現(xiàn)為塊狀暗區(qū)。冕洞的數(shù)目、大小以及其在太陽(yáng)上的位置都會(huì)隨太陽(yáng)活動(dòng)周而變化。與太陽(yáng)上其他特征的較差自轉(zhuǎn)不同，冕洞常常表現(xiàn)為剛體自轉(zhuǎn)。冕洞磁場(chǎng)由單一極性主導(dǎo)，但其中仍有雙極成分存在。冕洞內(nèi)較低的等離子體密度和開(kāi)放的磁場(chǎng)構(gòu)型，使得離子和電子可以無(wú)碰撞地沿著開(kāi)放磁力線(xiàn)向行星際空間運(yùn)動(dòng)，形成高速太陽(yáng)風(fēng)。由于太陽(yáng)自轉(zhuǎn)造成的重現(xiàn)性冕洞高速流，常常帶來(lái)周期性的小甚至中等強(qiáng)度的地磁暴，可以把太陽(yáng)活動(dòng)的影響一直延伸到地球表面。

圖7 SDO衛(wèi)星觀測(cè)到的一個(gè)位于太陽(yáng)北極附近的巨大冕洞，白色是計(jì)算得到的日冕磁力線(xiàn)

　　從古代起人類(lèi)就知道太陽(yáng)對(duì)地球的巨大影響。古埃及、瑪雅、華夏等很多文明都有關(guān)于太陽(yáng)的神話(huà)傳說(shuō)，神話(huà)傳說(shuō)的背后是太陽(yáng)每秒拋灑出來(lái)的龐大能量。到了現(xiàn)代，人類(lèi)更是發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室不僅帶給我們物理知識(shí)，還會(huì)影響我們的科技和生活，甚至地球本身就在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，每時(shí)每刻都感受著太陽(yáng)風(fēng)的吹拂。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈的時(shí)候，耀斑和日冕物質(zhì)拋射還會(huì)讓我們感受到太陽(yáng)風(fēng)暴的威力。太陽(yáng)風(fēng)暴是很有層次感的立體攻勢(shì)，通常包含三波攻擊，會(huì)引發(fā)不同的空間天氣事件。

　　第一波攻擊相當(dāng)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的激光武器，因?yàn)樗鼈兪请姶泡椛?，也就是光。光從太?yáng)到地球只需八分多鐘，正所謂迅雷不及掩耳之勢(shì)。太陽(yáng)風(fēng)暴中的光主要來(lái)自太陽(yáng)耀斑，雖然耀斑產(chǎn)生的高能光子沒(méi)法穿透地球厚厚的大氣層輻射到地面，但卻可以改變地球電離層的性質(zhì)。因此依賴(lài)電離層反射傳播的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)會(huì)受到影響，比如造成無(wú)線(xiàn)電通信、廣播中斷、GPS 信號(hào)誤差增大等。對(duì)于依賴(lài)無(wú)線(xiàn)電通信尤其是高頻通信的人們，比如茫茫大海中漁船上的漁民、從中國(guó)飛越極區(qū)去北美的客機(jī)上的乘客等來(lái)說(shuō)，這可不是一個(gè)好消息。

　　第二波攻擊是高能粒子，相當(dāng)于空襲打擊，主要包括兩種機(jī)型——“輕型戰(zhàn)斗機(jī)”電子和“重型轟炸機(jī)”質(zhì)子。它們的速度可達(dá)光速的幾分之一，通常在幾十分鐘到數(shù)小時(shí)后就會(huì)飛到地球上空，在軌運(yùn)行的人造衛(wèi)星和空間站首當(dāng)其沖。這些帶電的高能粒子可以穿透衛(wèi)星表面，對(duì)衛(wèi)星造成暫時(shí)甚至永久的損害，也可能會(huì)對(duì)航天員的健康造成威脅。

　　第三波攻擊是姍姍來(lái)遲的登陸部隊(duì)，它們是等離子體。等離子體由自由的帶電粒子組成，很容易和磁場(chǎng)攪到一塊，形成磁化等離子體，就好像運(yùn)載著裝甲車(chē)的登陸艦隊(duì)。磁化等離子體首先攻擊的灘頭陣地是地球的磁層，一旦順利搶灘登陸，會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)造成擾動(dòng)，可能引發(fā)地磁暴事件，會(huì)對(duì)導(dǎo)航定位、地質(zhì)勘探等造成影響，還會(huì)讓信鴿等依賴(lài)磁場(chǎng)定位的動(dòng)物迷失方向。

　　正如戰(zhàn)爭(zhēng)中偵查和情報(bào)工作非常重要一樣，要想有效應(yīng)對(duì)空間天氣事件，就要對(duì)空間天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，各國(guó)為此都投入了可觀的資源。美國(guó)在其國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)里設(shè)置了空間天氣預(yù)報(bào)中心(SWPC)，2015年發(fā)射的DSCOVR衛(wèi)星在日地之間的第一拉格朗日點(diǎn)擔(dān)當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)前哨，2018年即將發(fā)射的帕克太陽(yáng)探測(cè)器可靠近到8.5個(gè)太陽(yáng)半徑的地方去“觸摸太陽(yáng)”。我國(guó)在這方面起步稍晚，正在奮起直追，中國(guó)氣象局建立了專(zhuān)門(mén)的空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，最新的風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星上搭載了高能粒子探測(cè)器、三軸磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)、衛(wèi)星輻照計(jì)量?jī)x與充電電位測(cè)量?jī)x等空間天氣監(jiān)測(cè)儀器。一旦發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)暴的苗頭，不論是在太空作業(yè)的宇航員，還是飛越極區(qū)的客機(jī)，都可以采取有效措施，減少太陽(yáng)風(fēng)暴帶來(lái)的危害。

　　對(duì)于太陽(yáng)這個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)室，盡管我們已經(jīng)研究了幾千年，有大量的地面望遠(yuǎn)鏡和人造衛(wèi)星專(zhuān)門(mén)盯著看，我們對(duì)它仍有很多不了解的地方。比如我們對(duì)于輻射區(qū)和對(duì)流區(qū)之間的差旋層、色球和日冕之間的過(guò)渡區(qū)等區(qū)域的性質(zhì)還知之甚少；此外，日冕溫度為何越往外越高，太陽(yáng)上的鋰元素含量為何比隕石中的低很多等問(wèn)題也尚未解決。當(dāng)我們把目光放得更遠(yuǎn)，在廣袤的時(shí)間和空間中，地球并不是一個(gè)永恒的安樂(lè)窩。即使我們避開(kāi)了小行星撞擊、核戰(zhàn)爭(zhēng)等可能的天災(zāi)人禍，50億年后太陽(yáng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室也會(huì)有終結(jié)的那一天。對(duì)太陽(yáng)的研究將有助于我們開(kāi)啟行星際甚至星際旅行的大門(mén)，當(dāng)科幻小說(shuō)中的描寫(xiě)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們也許會(huì)像現(xiàn)在看天氣預(yù)報(bào)一樣關(guān)注空間天氣變化，準(zhǔn)備好防護(hù)措施，飛向另一顆星球。

　　（本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2018年第2期 時(shí)光摘編）