太阳上也下雨，你见过吗？

在地球上，下雨是再普通不过的现象了。可你听说过炙热的太阳上也会下雨吗？没错，太阳大气中也有剧烈活动，会周期性地“暴雨倾盆”。只是，此雨非彼雨，它是由太阳日冕中温度高达几十万度的等离子体组成的“日冕雨”。

什么是日冕雨

日冕雨（coronal rain）这个名词源自太阳动力学天文台（SDO）对2012年7月19日爆发的一个M级中等强度耀斑的观测。

太阳大气中有一种剧烈的爆发现象被称为太阳耀斑，在太阳活动的峰年平均每天都会有一个M级以上的耀斑爆发[1]。太阳耀斑可以对地球大气和空间环境产生直接影响，例如增加地球高层大气的电离度、导致电离层膨胀，从而影响长距离的电波通信[2]；太阳耀斑导致的高层大气扰动可能会使卫星轨道衰减、GPS定位精度变低甚至威胁近地空间宇航员和电子设备的安全。因此，研究太阳耀斑等相关太阳表面活动对人类活动的安全保障有很大的意义。

这次的耀斑爆发时，两颗空间卫星（SDO和STEREO-A）分别从耀斑的侧向和上方两个不同角度进行了细致的观测。紫外波段的成像观测表明这个耀斑有典型的双带结构，但由于投影效应，我们的视线方向和双带方向接近，双带中的许多耀斑磁环叠加起来，形成“头盔”的形状。

从两个不同角度（观测角度如左上图所示）对2012年7月19日耀斑在紫外的成像观测：（上）SDO，（下）STEREO-A卫星。[3]

当科学家将SDO卫星对这次耀斑22个小时的观测资料进行处理加工后，一副壮丽的耀斑爆发景象呈现在了眼前。

可以看到在耀斑爆发之前，日冕中已经有持续的亮斑运动，这些亮斑对应于热等离子体；耀斑爆发之后，有亮团不断地从一个“头盔”状的耀斑顶部沿着弧形曲线向日面掉落，形成许多漂亮的耀斑环。这一景象非常类似于我们熟悉的夏季暴雨！不过，它的尺度要巨大得多，是地球的数倍大小！这也是日冕雨这个名词的由来。

日冕雨景象。整个电影由7千多张SDO在304埃对太阳的观测图像组成[4]，每两张相邻图片之间实际拍摄时间间隔为12秒，电影每秒钟播放30张图片，每分钟对应于6个小时的实际时间 | 图源：作者。

日冕雨的形成机制

日冕雨的形成机制与地球的降雨也非常类似：地表的水受阳光照射后蒸发成水蒸气，然后被抬升到高空形成厚重的积雨云，之后受冷凝结成雨滴再落回地面。只不过，日冕雨中面对的是高温的等离子体，它的加热和运动规律都受磁场的支配。

蒸发：耀斑爆发时，封闭在耀斑环中的磁场所携带的能量很快会传播到耀斑环底部，造成色球层高密度等离子体被快速加热至几百万甚至上千万度，并沿着磁力线填充耀斑环。

冷凝：这些蒸发出来的高温等离子可以产生大量的X射线和紫外线辐射，在辐射的同时，这些等离子体温度会降下来，密度也会增加[5]。

降落：如果仅受太阳引力作用，高密度的冷等离子体会以较高的加速度沿径向向日面回落。而实际上，日冕充满磁场和热等离子体，日冕雨在下降过程中受这些背景磁化等离子的影响，会沿着磁力线以较慢的速度运动，因此“日冕雨”的路径即可以看做日冕强磁场的走向[6]。

以上就是日冕雨的形成机制。当然，实际的情况会更为复杂。一项对日冕雨产生过程的模拟发现，由纳米耀斑从下方加热的等离子体，蒸发后在高处冷却并高度凝结生成低温等离子体团，而在更高的地方由于等离子体波的持续加热，等离子体根本无法凝结而是以太阳风的形式逃逸出去。

最后划重点：日冕雨其实就是太阳大气在底层被加热之后不断蒸发，部分蒸发的等离子体通过辐射冷却，凝聚成温度较低的高密度等离子体并回落到日面的过程。这一过程在太阳大气中普遍存在，只是2012年7月19日爆发的这个耀斑因其特殊的结构特征和观测角度，看起来像极了一场“暴雨”，是以得名。

参考文献：

[1] 张平；刘四明. 2015, 天文学报, 56(1):35

[2] Gosling, J. T. 1993, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 98( A11),18937.

[3] Liu, Wei, et al. 2013 ,APJ, 767:168 (18pp)

[4] Lemen, James R., et al. 2011,The Solar Dynamics Observatory,17.

[5] en.wikipedia.org/wiki/Coronal_rain.

[6] Antolin, Patrick, et al. 2012, Solar Physics, 280(2),457.

致谢：制作视频数据来自NASA的SDO-AIA观测。作者感谢卢磊博士在数据下载和制作中给与的指导。

作者简介

唐凌宇：南京外国语学校高二学生，指导老师：刘四明，中国科学院紫金山天文台研究员。

主编：毛瑞青

轮值主编：李国亮

编辑：王科超

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