明暗相随的太阳活动：环形耀斑引起远端日冕暗化

太阳活动与空间天气有着直接的联系，加强太阳活动的研究和监测对进行准确的空间天气预报、预警和减少灾害性空间天气的损失都具有极其重要的意义。中国科学院紫金山天文台科研人员最近发现一种太阳耀斑引发的太阳大气变化现象：在耀斑爆发增亮时，远在十几万千米之外的太阳大气却明显变暗｡这一发现将有助于我们重新审视太阳耀斑和日冕暗化这一明一暗两种活动之间的关系，并对准确有效的空间天气预报提供一定的理论依据。

什么是太阳耀斑？

太阳耀斑是发生在太阳大气局部区域（通常是黑子周围活动区）的一种剧烈的能量释放过程，是太阳大气活动的重要形式之一，也是产生灾害性空间天气的重要源头。耀斑的能量源自太阳表面积累的磁场自由能，总能量可达约10²² – 10²⁵焦耳（相当于1.5-1500亿颗广岛原子弹同时爆炸释放的能量），在短时间内这些能量通过一种叫磁场重联的机制快速转换为等离子体的热能、动能、辐射能，并产生大量高能粒子（包括电子、质子、离子）。地面和空间的大型太阳望远镜可在射电、红外、可见光、紫外一直到硬X射线甚至伽马射线的全波段观测到耀斑。

目前人们观测到形态比较规则的两类耀斑包括：

〇 双带耀斑 是最常见、研究最成熟的一类耀斑。它们在太阳低层大气呈现两条近似平行的亮带（见图1），在日冕中呈现出拱形热环（温度可达千万度），这些高温磁环随时间逐渐冷却，持续十几分钟到数小时以上。

图1. 日本Hinode卫星观测到的双带耀斑 | 图源：https://hinode.msfc.nasa.gov

〇 环形耀斑 是美国TRACE太阳探测器发现的一种特殊耀斑，在低层大气通常由一个圆形或椭圆形亮带和内部致密的亮带组成。相对于双带耀斑，环形耀斑具有特殊的磁场拓扑结构，一般包含磁场零点、穿过零点的脊线和穹顶状扇面，像个蒙古包。不过，两种耀斑的动力学演化过程本质上没有太大的区别。

图2. 美国IRIS卫星观测到的环形耀斑图 | 图源：https://iris.lmsal.com

太阳大气活动与空间天气的关系

太阳大气中的各类活动彼此之间有着密切联系，统计研究表明级别越大（能量越大）的耀斑越容易伴随太阳表面的另外一类爆发活动——日冕物质抛射（CME），顾名思义，就是指日冕中很短时间内向行星际空间抛射大量磁化等离子体的过程。这些等离子体的质量可达百亿吨，最高速度可达三千千米每秒。伴随CME发生的耀斑，称为爆发耀斑；没有CME伴随发生的耀斑称为约束耀斑。

耀斑和CME都是太阳表面最剧烈、能量最高的爆发活动，也是产生灾害性空间天气的重要源头。它们产生的高能辐射以及磁化等离子体经过长途跋涉，到达地球空间附近后，会对地球周围磁场及电离层产生强烈扰动，进而对航天器、通信、导航等产生影响。

图3. 美国SDO卫星观测到的日冕物资抛射(CME)图 | 图源：https://sdo.gsfc.nasa.gov

天下万物，阴阳相生，明暗相随。日冕暗化就是与太阳耀斑爆发或者CME相关的另一种大尺度活动，它表现为局部日冕在极紫外和软X射线波段辐射的快速变暗和缓慢回升（见图4），整个过程可持续几小时到十几小时。暗化面积先快速扩展然后缓慢收缩，最大可达数万平方兆米。由于辐射与当地等离子体密度平方成正比，因此日冕暗化主要是由耀斑和CME导致的密度降低引起的，因而根据日冕暗化的光谱观测可大体估算CME带走的物质。

研究日冕暗化对于空间天气预警和预报有一定的指导意义，但目前关于环形耀斑与日冕暗化的关系的研究还非常欠缺。

图4. 美国SOHO卫星观测到的CME发生后的日冕暗化（图像经过处理）| 图源：https://sohowww.nascom.nasa.gov

新现象：环形耀斑引起远端日冕暗化

中国科学院紫金山天文台科研人员与国内同行合作，利用美国太阳动力学天文台（SDO）卫星搭载的大气成像仪（AIA）和日震磁像仪（HMI）的多波段观测数据，详细研究了2015年10月16日在编号12434的活动区发生的一个Ｍ级环形耀斑（范围只有约4.5万千米），发现耀斑所在区域和附近并没有明显的暗化，却在距离该耀斑约18万千米的宁静区出现了远端日冕暗化现象，而耀斑与远端日冕暗化区域由大尺度闭合磁力线相连接。

这个远端日冕暗化演化过程大概分三个阶段：首先，在耀斑硬X射线峰值时刻前数分钟，出现仅在AIA 131埃和171埃波段可见的小而弱的暗化；之后，长而窄的远端日冕暗化在除AIA 304埃以外的其他所有极紫外波段变得明显，而耀斑区域本身并没有明显变化，大面积的暗化逐步向东南方向延伸，面积缓慢增加，最大约1.2万平方兆米，暗化区域在171和193埃的最大相对亮度降低分别约为90%和80%（见图5）；最后，暗化面积逐渐缩小。据估算，整个演化过程持续约８小时。这些特性（面积、亮度、持续时间等）与CME引起的暗化很接近。

图5. 美国SDO卫星观测到的环形耀斑引起远端日冕暗化（图像经过处理）| 图源https://www.aanda.org

该发现与以往的观测都不太一样，很难用现有理论做出完美解释。远端日冕暗化的成因很可能是连接耀斑和暗化区域的大尺度冕环膨胀导致的当地等离子体密度降低，而非温度变化。由于该耀斑没有伴随CME，大面积暗化区域物质的去向还是一个未解之谜。

研究结果发表后，科研人员又找到几个类似事件，说明这种现象并非个例，可能普遍存在。下一步，研究人员将对这些事例进行深入细致的分析，期望揭示远端日冕暗化的本质。

作者简介

张擎旻，中国科学院紫金山天文台副研究员，研究方向：太阳物理。

原载：中科院之声

撰稿：张擎旻

轮值主编：苏杨

编辑：王科超、高娜