太阳也会“海啸”？新研究或已破解太阳色球层“海啸”之谜

中国科幻电影《流浪地球》里有这样一个骇人听闻的场景：由于地球停止自转，上海地区的海平面将上升300米，全世界大量沿海地区将被海啸吞没！可见，人类在海啸面前是多么的脆弱。作为地球上影响范围最广的爆发性自然灾害之一，海啸的波速高达800公里每小时，可以传播数千公里。海啸主要是由海底地震、火山爆发、海底滑坡等活动引发的。这种剧烈的爆发活动，不仅会在地球上发生，在太阳上经常出现，如日冕物质抛射和耀斑，这些爆发活动也能引发能量更高、尺度更大的“太阳海啸”。

图1:地球海啸（图源：网络）

“太阳海啸”的“海”

“太阳海啸”是在太阳大气中传播的一种波动现象，所以可将太阳大气视为这种波的传播媒质——“太阳海”。如同地球海啸一样，太阳大气在很大程度上决定了“太阳海啸”的性质。

太阳通过核心区域的核聚变不断产生能量，然后这些能量向外通过辐射区、到达外面的太阳大气。太阳大气由内到外可分为光球层、色球层、过渡区和日冕，充满着等离子体或电离的气体。光球就是肉眼可见的太阳发光圆盘，厚度约500公里；光球上方是厚度约2000公里的色球层和约100公里厚的过渡区；过渡区再往外就是日冕层，范围可以一直延伸到行星际空间。光球的温度在5000度左右，色球温度范围在4000-20000 度，日冕温度则高达百万度量级。太阳大气中的等离子体密度，在光球、色球和过渡区中急剧下降，而在日冕中则下降缓慢。另外，太阳大气中充满了磁场，这些磁场由太阳内部产生并不断浮现到上方大气中，最终影响甚至控制着太阳大气中的活动现象。

图2:“太阳海”（图源：维基百科）

任何扰动都会产生波动。地球大气中的扰动可以产生声波，地震波也是声波的一种。在太阳大气之中，扰动激发的主要是磁声波，即声波和磁场的波动（一种由磁力线晃动引起的、被称之为阿尔文波的波动）耦合在一起产生的。这些磁声波的速度可以从一两百公里每秒一直到上千公里每秒。

“太阳海啸”的发现

“太阳海啸”，表现为太阳大气中从爆发源区向四面八方传播的圆形波前，因其辐射增强主要集中在 极紫外波段，所以又称为日冕极紫外（EUV）波。另外，由于最早是被 1995年发射的太阳和日球层天文台（SOHO）卫星上的极紫外成像望远镜（EIT）观测到的，所以最早的名字是日冕EIT波。首例“太阳海啸”是在1997年被EIT探测到的，但它的存在却是早在20多年前就被预言的。

图3: “太阳海啸”。（图源：NASA/STEREO）

早在太阳观测卫星上天之前，天文学家主要依靠地面望远镜观测太阳。 20世纪60年代初，美国天文学家盖尔.莫尔顿（Gail Moreton）便观测到了发生于太阳色球层中的“海啸”现象，下图给出了一个例子。这种波强度比较弱，但速度高度上千公里每秒，几乎可以在太阳表面全球范围内传播。后人把这种“色球海啸”称之为莫尔顿波。

图4:“色球海啸“（图源：美国国家太阳天文台和美国海军研究实验室）

这么快的莫尔顿波是色球层中产生的波吗？考虑到色球阿尔文速度（约100公里每秒）比较小，1000公里每秒的高速色球磁声波就只能是非常非常强的激波了（马赫数约为10）。但是，这么强的激波应该会很快衰减，传播距离很短，跟观测不符。

为了解决这个问题，1968年日本天文学家内田裕中（Yutaka Uchida）提出：莫尔顿波是在日冕中传播的快速激波向下压缩色球所留下的“足迹”。这样，莫尔顿波的速度是由日冕中的磁声波速度决定的，并不决定于色球中的磁声波速。这个理论能解释莫尔顿波的很多观测特征，同时也跟很多科学理论一样，做出了一项预言：日冕中存在着“海啸”！由于日冕辐射波段多集中在极紫外(EUV)或软X射线波段，而这些辐射是无法穿越大气到达地面的，因此，为验证这个预言需要发射太阳观测卫星到天上去。这就回到了前面所介绍的---EUV波或EIT波的发现。

罕见的**“色球海啸”——莫尔顿波**

自被发现以来，只观测到数十例莫尔顿波。然而，自多个太阳卫星上天以来，已观测到了上千个“太阳海啸”事件。那么问题来了，既然“太阳海啸”是莫尔顿波的源头，为什么这么多的“太阳海啸”只产生了这么少的“色球海啸”？也就是莫尔顿波为什么如此罕见？

近期，山东大学空间科学研究院郑瑞生教授和陈耀教授及其合作者（包括南京大学陈鹏飞教授和北京大学田晖教授）在国际学术期刊《天体物理学研究快报》上发表论文，为解决“太阳海啸”“色球分啸”的罕见之谜提供了关键证据。

该研究发现，对于伴有莫尔顿波的日冕EUV波，在其波前底部均存在一段锐利且明亮的区域，而且在源自日冕与色球中间区域即所谓过渡区的304埃谱线上也存在类似波动响应；更令人惊讶的是，这类事件都是由倾斜爆发引起的。因此，提出“太阳海啸”可成功激发“色球海啸”的最为关键的因素之一，是爆发的高度倾斜（偏离径向70度左右）位形。高度倾斜的“太阳海啸”波前能够更强烈压缩太阳低层大气从而激发“色球海啸”，而高度倾斜爆发的不常发生或“罕见”很可能正是天文学家寻觅许久的导致“色球海啸”罕见的关键原因！该研究对全面理解“太阳海啸”的激发机制和立体传播有着重要意义，还可以间接揭示倾斜爆发的触发机制和高能粒子的加速机制，从而为空间天气预报提供重要信息。

图5:倾斜爆发中的“太阳海啸”（图源：Zheng et al. ApJL, 2023）

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：郑瑞生

审核：韩文标 中国科学院上海天文台 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司