青年科学家趣谈科学 ｜ 李婷：不速之客！太阳耀斑的威力有多大？
知识就是力量2019-04-29 17:15
五四青年节来啦！《知识就是力量》特别策划“青年科学家趣谈科学”系列内容，我们将从航空航天、生命科学、化学、人工智能、动植物、物理天文等领域挑选青年科学家，一方面带领大家认识中国优秀的青年科学家群体，另一方面，这些青年科学家将带领大家读科学、知科学、爱科学。
地球上的人们每天
都经历和感受着
风霜雨雪、阴晴冷暖的天气变化，
而在地球大气层外面的空间同样
也存在着一种类似天气的变化，
比如，
闪亮的太阳耀斑、神秘的太阳黑子、
狂暴的太阳日冕物质抛射
以及浩瀚星空里弥漫的射线和粒子等，
这些自然现象被称为“太阳风暴”。
今天，青年科学家李婷
则将带我们揭开太阳耀斑的奥秘！
李婷现为中国科学院国家天文台副研究员、硕士生导师、中国科学院大学岗位教师。自2010年接触科研以来，扎根于国内，在典型太阳爆发活动的物理机制和不同现象的耦合过程这一研究领域做了一些开拓性的工作。到目前为止共有42篇SCI期刊论文发表，其中第一作者文章16篇。这些成果受到国际同行的广泛关注和重视，文章被SCI引用约450次，独立引用376次。2012年荣获中国科学院院长优秀奖；2017年度入选中国科学院青年创新促进会会员；2018年度获得英国皇家物理学会 (IOP) 出版社“最高引用奖”；2018年度入选第四届中国科协“青年人才托举工程” 。
太阳耀斑的奥秘
撰文/李婷
作为离地球最近的恒星，太阳不仅为我们提供光和热，同时也是决定人类生存的日地环境的母体。在太阳大气中，发生着丰富多彩的活动现象，包括太阳耀斑、暗条爆发和日冕物质抛射等。激烈的太阳爆发事件引起地球磁场和电离层强烈的扰动，导致无线电通讯中断、供电系统破坏、空间飞行器发生故障、宇航人员健康受到伤害以及导航失灵等破坏性事件。
其中，太阳耀斑是太阳大气局部区域突然变亮的活动现象，是太阳大气中最为激烈的爆发活动,表现为各种波段增强的电磁辐射和粒子发射。爆发式耀斑通常会伴随日冕物质抛射， 从而影响行星际环境，尤其对人类活动产生影响，被认为是空间天气的主要驱动源。
根据在地球附近测量到的软X射线流量不同，我们把耀斑分为A，B，C，M和X五级。耀斑带、耀斑环和尖角状结构是耀斑的典型观测特征（图1）。
图1 美国BBSO的Hα望远镜观测的耀斑带和空间TRACE卫星拍摄的耀斑后环
耀斑是如何产生的？耀斑的能量是从哪来的呢？
从20世纪60年代开始人们对耀斑的磁场位形和理论模型进行了研究，提出用以解释爆发式双带耀斑的模型，即标准耀斑模型（图2）。该模型认为：在磁中性线附近的磁流管（暗条）由于某种原因抬升，从而拉伸其上方的磁拱，在暗条下方形成X形磁结构，发生在X形磁结构附近的磁重联使磁能释放出来，形成跨越中性线的耀斑后环，从磁重联位置产生的高能粒子沿着磁环向下运动，轰击加热太阳色球，从而形成在色球观测的耀斑带。
已经有很多观测研究表明，标准耀斑模型成功地解释较长寿命耀斑过程中的多种特征，包括尖角状磁环和电流片的结构，耀斑后环的抬升和双带的分离等。
图2 两维的标准耀斑模型示意图（Shibata & Magara 2011, Living Reviews in Solar Physics, 8, 6）
耀斑的能量释放和触发与磁重联密切相关，那磁重联是什么？
顾名思义，磁重联代表磁场线的重新连接。Sweet (1958) 和Parker (1957) 最早提出了磁重联的理论模型，电流片在具有磁零点的磁场位形中形成，耗散机制导致电流片中磁能向其他形式能量的转化，磁场拓扑结构快速变化并且加速高能粒子。图3展示X形磁结构位置处发生磁重联前后磁场连接性改变的示意图。磁重联在日冕和恒星冕、地磁层和行星磁层、吸积盘、磁星、银河磁尾和等离子体实验室等泛宇宙的磁化等离子体系统中扮演着十分重要的角色，对其研究帮助我们理解太阳及其他恒星大气中磁能积累和爆发式释放的物理过程，揭示恒星活动的初发机制和演化规律。
图3 X形磁结构位置处磁重联过程示意图（杨书红等，2015， The Astrophysical Journal Letters, 798, L11）
笔者和张军利用最新的空间卫星提供的高时空分辨率的成像和光谱观测，发现在耀斑过程中磁重联表现出准周期的特征，周期为3-6分钟，说明磁重联的能量释放具有分立特性，为理解三维磁重联提供了新的思考。图4展示了耀斑带精细结构的周期性振荡，从上至下依次为耀斑带位置处Si IV谱线的谱线强度、多普勒速度和谱线致宽。三维磁重联是近年来提出的重要的研究课题，早先的二维图像在解释一系列丰富多彩的空间、地面观测现象方面已经远远不能满足需要。该工作详细研究了耀斑带的复杂形态及演化、耀斑环的滑动运动等，为建立更加完善的三维耀斑模型提供了重要的观测依据。该工作的研究结果得到了国内外同行的认可和关注，为其他作者随后的独立观测所证实。因该工作取得的成果，李婷于2018年度荣获英国皇家物理学会 (IOP) 出版社颁发的“最高引用奖”，该奖项旨在奖励过去三年内（2015至2017）在各自领域单篇文章引用量排名前1%的作者。
图4 IRIS卫星观测的 Si IV 1403 的光谱信息，展示耀斑带精细结构的振荡（李婷和张军，2015，The Astrophysical Journal Letters, 804, L8）
我国的太阳物理学家在太阳耀斑的研究方面取得了许多重要的研究进展，发表论文的数量和引用都位于世界前列。近十年来，随着空间卫星的紫外和X射线优质资料的积累，耀斑的观测研究得以在全波段、高分辨率的条件下进行，这为开展研究提供了很好的契机。
未来，我国新一代厘米—分米波射电日像仪（MUSER）的数据即将对外发布。另外，我国自主研制的先进天基太阳天文台（ASO-S）将于2022年发射，其提供的全日面矢量磁场、Lyα和硬X射线成像观测将帮助我们揭示耀斑的初发和三维演化规律。
今天，青年科学家李婷为我们带来的“太阳耀斑”的内容你都了解了吗？如果你有更多关于“太阳活动”的思考，欢迎留言区互动哟！
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