太阳耀斑

Solar flare

太阳耀斑是发生在太阳大气局部区域的一种最剧烈的爆发现象,在短时间内释放大量能量,引起局部区域瞬时加热,向外发射各种电磁辐射,并伴随粒子辐射突然增强。

由于太阳光球的背景辐射太强,大多数耀斑不能在白光中观测到,辐射增强主要是在某些谱线上,其中以氢的Hα线(波长6563埃,颜色为橙红色)和电离钙的H、K线(波长分别为3968埃和3934埃)最为突出。当用这些单色光监视太阳色球层时,有时会在活动区附近的谱斑中看到局部小区域的突然增亮。增亮区由原有的谱斑亮度在几分钟内迅速增亮几倍甚至几十倍,然后在几十分钟至1~2小时内缓慢恢复至原有的谱斑亮度。1892年7月,美国天文学家海耳首次观测到了太阳耀斑的单色像。20世纪50年代以前,太阳耀斑主要是依靠Hα单色光和可见区的光谱观测,这在地面上比较容易实现。因此,太阳耀斑的早先定义是指Hα单色光看到的太阳色球谱斑中的突然增亮现象,也称为色球爆发。

多种手段的综合观测表明,耀斑发生时,从波长短于1埃的γ射线和X射线,直到波长达几公里的射电波段,几乎全波段的电磁辐射都有增强的现象,并发射能量从103电子伏特直到109电子伏特的各种粒子流。其中,电磁辐射增强主要发生在短波辐射(X射线和紫外光)和射电波段。因此,耀斑更准确的定义应包括所有上述一系列的突变现象,而Hα辐射的增强只是耀斑发生的一种次级标志。

太阳耀斑的发现

1859年9月1日的上午,英国天文爱好者卡林顿照例在自己的天文观测室里对太阳黑子进行常规的观测。令他不可思议的事情发生了,日面北侧一个大的复杂黑子群附近突然出现了两道极其明亮的白光,其亮度迅速增加,远远超过光球背景,明亮的白光仅维持了几分钟就很快消失了。同在这一天,英国天文学家霍奇森也看到了这次太阳上的突发现象。这是耀斑的第一次记录,同时也是白光耀斑的第一次记录。

太阳耀斑的成因

太阳大气中充满着磁场,磁场结构越复杂,越容易储存更多的磁能。当储存在磁场中的磁能过多时,会通过太阳爆发活动释放能量,太阳耀斑即是太阳爆发活动的一种形式。

长期的观测发现,大多数耀斑都发生在黑子群的上空,且黑子群的结构和磁场极性越复杂,发生大耀斑的几率越高。平均而言,一个正常发展的黑子群几乎几小时就会产生一个耀斑,不过真正对地球有强烈影响的耀斑则很少。

太阳耀斑的分类

根据观测手段的不同,主要分为光学耀斑、X射线耀斑等。通常,可见光范围内的单色光观测的耀斑习惯地称为光学耀斑,X射线波段观测的耀斑称为X射线耀斑,与质子事件相对应的耀斑则称为质子耀斑。

光学耀斑

英文名称:Optical solar flare

太阳爆发时光学波段亮度突然增强的现象,称为光学耀斑;波

Hα观测的耀斑爆发(BBSO,1972-08-07)

长在3900~7000埃之间。耀斑在氢的Hα线和电离钙的H、K线上最为突出,非常有利于光学耀斑的观测。

X射线耀斑

英文名称:X-ray flare

太阳爆发时X射线通量突然增强的现象,称为X射线耀斑;波长在0.01~100埃之间。耀斑在极紫外波段有明显表现,可以用来监测。

质子耀斑

英文名称:Solar proton flare

在耀斑发射的粒子事件中,当地球同步轨道探测到的质子能量大于10兆电子伏的通量超过10pfu时,表明这种事件中有很强的质子流,即发生质子事件,与之相对应的源耀斑称为质子耀斑。在日地空间行星际磁场的引导下,日面东半球发射的质子一般到不了地球附近,因此质子耀斑主要发生在日面西半球。质子耀斑大多为M级及以上级别的耀斑,发生后1小时~2小时内能够在地球轨道附近观测到其引发的质子事件。

白光耀斑

白光耀斑是太阳耀斑中极为罕见的一种,由于能在白光范围内观测到而得名。太阳耀斑一般通过白光是不能观测到的,只有通过Hα线和电离钙的H、K线才能观测到。但有时在Hα线所看到的亮区中的一些更小的区域,通过白光也能看到突然增亮现象,持续时间大约几分钟,这就是白光耀斑。1859年卡林顿首次观测的太阳耀斑就是白光耀斑。

太阳耀斑的能量

耀斑的持续时间在几分钟到几十分钟内,在这短暂的时间里却能释放出1020~1025焦耳的巨大能量,这大约相当于上百亿颗巨型氢弹同时爆炸释放的能量,或者相当于十万至百万次强大火山爆发释放的能量总和,可见其威力之大。不过对于太阳这个巨大的能源来讲,它也不过只占太阳辐射总能量的万分之一左右。

太阳耀斑的规律

耀斑的发生频次随太阳活动周的变化表现出了11年左右的周期性,爆发位置随时间呈现蝴蝶图样的分布。在太阳活动极大年,平均每天都有M级以上级别的耀斑发生;而在太阳活动极小年,几乎全年都不发生一个M级以上级别的耀斑。

在一个太阳活动周中,X10级及以上级别耀斑大概出现10次左右,X级耀斑约为200次左右,而M级耀斑约为2000次左右。

太阳耀斑的影响

空间飞行影响

增强的紫外和X射线辐射使电离层中的电子浓度急剧增大,引发电离层突然骚扰,可导致短波无线电信号衰落,甚至中断。增强的紫外辐射被地球大气层直接吸收后,加热大气,大气的温度和密度升高,从而使人造卫星等空间飞行器的轨道发生改变;紫外辐射的增强还使得原子氧的密度突然增加,从而加快了原子氧对航天器表面的剥蚀作用。

对通信的影响

短波通信主要是靠F层的反射进行的。但是,在发生电离层突然骚扰时,由于D层附近的电子密度突然增大,穿过D层射向E层、F层并反射回地面的无线电波受到强烈的吸收,引起电波的衰减。D层电子密度越大,吸收越强。如果D层的电子密度非常大,以致短波通信的最高可用频率也遭到严重吸收,这时通信将发生中断。

广播信号影响

在实际生活中,在我们收听广播时,信号会突然变得杂乱,无法收听,有时我们调调频率,信号会清楚些,但有时却仍然无法听清楚,这种状况一般过不了多久就会自己恢复。这可能就是遥远的太阳爆发耀斑对广播信号的影响。

对导航的影响

甚低频导航或通信信号主要是在地面与电离层底部之间的一个波导之间传播,电波在地球和电离层之间来回反射传播,可以实现远距离的传播。当电离层发生突然骚扰时,由于D层的反射高度下降,电离层底部发生变化,导致低频或甚低频信号在给定的发射机和接收机之间的传播相位时延发生变化,严重时能产生几十公里的导航误差。

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