中國科幻電影《流浪地球》里有這樣一個駭人聽聞的場景:由于地球停止自轉(zhuǎn),上海地區(qū)的海平面將上升300米,全世界大量沿海地區(qū)將被海嘯吞沒!可見,人類在海嘯面前是多么的脆弱。作為地球上影響范圍最廣的爆發(fā)性自然災(zāi)害之一,海嘯的波速高達(dá)800公里每小時,可以傳播數(shù)千公里。海嘯主要是由海底地震、火山爆發(fā)、海底滑坡等活動引發(fā)的。這種劇烈的爆發(fā)活動,不僅會在地球上發(fā)生,在太陽上經(jīng)常出現(xiàn),如日冕物質(zhì)拋射和耀斑,這些爆發(fā)活動也能引發(fā)能量更高、尺度更大的“太陽海嘯”。
圖1:地球海嘯(圖源:網(wǎng)絡(luò))
(資料圖片僅供參考)
“太陽海嘯**”的“**?!?/strong>
“太陽海嘯”是在太陽大氣中傳播的一種波動現(xiàn)象,所以可將太陽大氣視為這種波的傳播媒質(zhì)——“太陽?!?。如同地球海嘯一樣,太陽大氣在很大程度上決定了“太陽海嘯”的性質(zhì)。
太陽通過核心區(qū)域的核聚變不斷產(chǎn)生能量,然后這些能量向外通過輻射區(qū)、到達(dá)外面的太陽大氣。太陽大氣由內(nèi)到外可分為光球?qū)?、色球?qū)?、過渡區(qū)和日冕,充滿著等離子體或電離的氣體。光球就是肉眼可見的太陽發(fā)光圓盤,厚度約500公里;光球上方是厚度約2000公里的色球?qū)雍图s100公里厚的過渡區(qū);過渡區(qū)再往外就是日冕層,范圍可以一直延伸到行星際空間。光球的溫度在5000度左右,色球溫度范圍在4000-20000 度,日冕溫度則高達(dá)百萬度量級。太陽大氣中的等離子體密度,在光球、色球和過渡區(qū)中急劇下降,而在日冕中則下降緩慢。另外,太陽大氣中充滿了磁場,這些磁場由太陽內(nèi)部產(chǎn)生并不斷浮現(xiàn)到上方大氣中,最終影響甚至控制著太陽大氣中的活動現(xiàn)象。
圖2:“太陽海”(圖源:維基百科)
任何擾動都會產(chǎn)生波動。地球大氣中的擾動可以產(chǎn)生聲波,地震波也是聲波的一種。在太陽大氣之中,擾動激發(fā)的主要是磁聲波,即聲波和磁場的波動(一種由磁力線晃動引起的、被稱之為阿爾文波的波動)耦合在一起產(chǎn)生的。這些磁聲波的速度可以從一兩百公里每秒一直到上千公里每秒。
“太陽海嘯”的發(fā)現(xiàn)
“太陽海嘯”,表現(xiàn)為太陽大氣中從爆發(fā)源區(qū)向四面八方傳播的圓形波前,因其輻射增強主要集中在 極紫外波段,所以又稱為日冕極紫外(EUV)波。另外,由于最早是被 1995年發(fā)射的太陽和日球?qū)犹煳呐_(SOHO)衛(wèi)星上的極紫外成像望遠(yuǎn)鏡(EIT)觀測到的,所以最早的名字是日冕EIT波。首例“太陽海嘯”是在1997年被EIT探測到的,但它的存在卻是早在20多年前就被預(yù)言的。
圖3: “太陽海嘯”。(圖源:NASA/STEREO)
早在太陽觀測衛(wèi)星上天之前,天文學(xué)家主要依靠地面望遠(yuǎn)鏡觀測太陽。 20世紀(jì)60年代初,美國天文學(xué)家蓋爾.莫爾頓(Gail Moreton)便觀測到了發(fā)生于太陽色球?qū)又械摹昂[”現(xiàn)象,下圖給出了一個例子。這種波強度比較弱,但速度高度上千公里每秒,幾乎可以在太陽表面全球范圍內(nèi)傳播。后人把這種“色球海嘯”稱之為莫爾頓波。
圖4:“色球海嘯“(圖源:美國國家太陽天文臺和美國海軍研究實驗室)
這么快的莫爾頓波是色球?qū)又挟a(chǎn)生的波嗎?考慮到色球阿爾文速度(約100公里每秒)比較小,1000公里每秒的高速色球磁聲波就只能是非常非常強的激波了(馬赫數(shù)約為10)。但是,這么強的激波應(yīng)該會很快衰減,傳播距離很短,跟觀測不符。
為了解決這個問題,1968年日本天文學(xué)家內(nèi)田裕中(Yutaka Uchida)提出:莫爾頓波是在日冕中傳播的快速激波向下壓縮色球所留下的“足跡”。這樣,莫爾頓波的速度是由日冕中的磁聲波速度決定的,并不決定于色球中的磁聲波速。這個理論能解釋莫爾頓波的很多觀測特征,同時也跟很多科學(xué)理論一樣,做出了一項預(yù)言:日冕中存在著“海嘯”!由于日冕輻射波段多集中在極紫外(EUV)或軟X射線波段,而這些輻射是無法穿越大氣到達(dá)地面的,因此,為驗證這個預(yù)言需要發(fā)射太陽觀測衛(wèi)星到天上去。這就回到了前面所介紹的---EUV波或EIT波的發(fā)現(xiàn)。
罕見的**“色球海嘯”——莫爾頓波**
自被發(fā)現(xiàn)以來,只觀測到數(shù)十例莫爾頓波。然而,自多個太陽衛(wèi)星上天以來,已觀測到了上千個“太陽海嘯”事件。那么問題來了,既然“太陽海嘯”是莫爾頓波的源頭,為什么這么多的“太陽海嘯”只產(chǎn)生了這么少的“色球海嘯”?也就是莫爾頓波為什么如此罕見?
近期,山東大學(xué)空間科學(xué)研究院鄭瑞生教授和陳耀教授及其合作者(包括南京大學(xué)陳鵬飛教授和北京大學(xué)田暉教授)在國際學(xué)術(shù)期刊《天體物理學(xué)研究快報》上發(fā)表論文,為解決“太陽海嘯”“色球分嘯”的罕見之謎提供了關(guān)鍵證據(jù)。
該研究發(fā)現(xiàn),對于伴有莫爾頓波的日冕EUV波,在其波前底部均存在一段銳利且明亮的區(qū)域,而且在源自日冕與色球中間區(qū)域即所謂過渡區(qū)的304埃譜線上也存在類似波動響應(yīng);更令人驚訝的是,這類事件都是由傾斜爆發(fā)引起的。因此,提出“太陽海嘯”可成功激發(fā)“色球海嘯”的最為關(guān)鍵的因素之一,是爆發(fā)的高度傾斜(偏離徑向70度左右)位形。高度傾斜的“太陽海嘯”波前能夠更強烈壓縮太陽低層大氣從而激發(fā)“色球海嘯”,而高度傾斜爆發(fā)的不常發(fā)生或“罕見”很可能正是天文學(xué)家尋覓許久的導(dǎo)致“色球海嘯”罕見的關(guān)鍵原因!該研究對全面理解“太陽海嘯”的激發(fā)機制和立體傳播有著重要意義,還可以間接揭示傾斜爆發(fā)的觸發(fā)機制和高能粒子的加速機制,從而為空間天氣預(yù)報提供重要信息。
圖5:傾斜爆發(fā)中的“太陽海嘯”(圖源:Zheng et al. ApJL, 2023)
本文為科普中國·星空計劃扶持作品
作者:鄭瑞生
審核:韓文標(biāo) 中國科學(xué)院上海天文臺 研究員
出品:中國科協(xié)科普部
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