出品：科普中國(guó)

作者：云朝昂、沈金花（中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為揭開(kāi)科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開(kāi)啟一段段充滿(mǎn)熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

2024年5月，一部有關(guān)阿勒泰的電視劇登頂全網(wǎng)收視榜，劇中阿勒泰的美渾然天成，鏡頭之下，山川、叢林、天空、曠野，無(wú)不獨(dú)具性靈。作為新疆美景的其中一張“明信片”，阿勒泰的星空也獨(dú)具魅力，接連上演的“極光”盛宴美不勝收。

這是在新疆阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣拍攝到的極光

（圖片來(lái)源：新華社 戴建峰 攝）

戴建峰拍攝于新疆阿勒泰

（圖片來(lái)源：新華社）

美麗的星空“烈焰”——極光

極光是地面上能用肉眼看到的、由太陽(yáng)風(fēng)等離子體與地球磁層相互作用產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。

極光的出現(xiàn)與太陽(yáng)耀斑有一定關(guān)系，耀斑是太陽(yáng)大氣局部區(qū)域突然增亮的活動(dòng)現(xiàn)象，太陽(yáng)本身是一個(gè)巨大的“磁球”，耀斑往往出現(xiàn)在磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活動(dòng)區(qū)，在耀斑活動(dòng)區(qū)，隨著活動(dòng)區(qū)磁能的不斷積累，磁力線(xiàn)會(huì)發(fā)生“扭曲”，這些扭曲的磁力線(xiàn)像擰緊的橡皮筋一樣，一旦扭曲的磁力線(xiàn)由于重聯(lián)發(fā)生截?cái)鄬?huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的能量。此時(shí)在日冕大氣的等離子體會(huì)被迅速加熱和加速，伴隨有各種波段的增強(qiáng)的電磁輻射和粒子發(fā)射，這種強(qiáng)烈的爆發(fā)現(xiàn)象，即耀斑。

耀斑爆發(fā)過(guò)程中常伴有大量的日冕的等離子體被拋入日地空間，稱(chēng)為“日冕物質(zhì)拋射”。太陽(yáng)不斷地從它的表面向周?chē)目臻g噴射物質(zhì)，在太陽(yáng)活動(dòng)周期的高峰期，每天可能會(huì)發(fā)生2-3次日冕物質(zhì)拋射(CME)，這些等離子體物質(zhì)以每秒幾百至上千公里的速度運(yùn)行，面向地球的等離子體將會(huì)引發(fā)地球磁場(chǎng)大小和方向的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生“地磁暴”以及其他極端空間天氣事件，極光是地磁暴可視化的表現(xiàn)。

磁暴期間，等離子體與磁層相互作用后注入極區(qū)的粒子會(huì)大幅度增加，注入地球磁場(chǎng)的緯度范圍也會(huì)擴(kuò)大，使得處于地球中高緯度的新疆等地能夠看見(jiàn)極光。

太陽(yáng)耀斑

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)是西北地區(qū)唯一的綜合性天文臺(tái)，因極光廣泛收到社會(huì)關(guān)注，近期新疆天文臺(tái)太陽(yáng)團(tuán)組成員也秉持著科學(xué)家的責(zé)任，非常愿意與大眾分享相關(guān)的科普知識(shí)。其實(shí)，太陽(yáng)活動(dòng)是具有大約11年的周期。太陽(yáng)活動(dòng)最活躍的時(shí)期稱(chēng)為“極大期”，最不活躍的時(shí)期稱(chēng)為“極小期”。在極大期，太陽(yáng)黑子的數(shù)量增加，耀斑的發(fā)生頻率也會(huì)增加，相反，在極小期，黑子數(shù)量和耀斑發(fā)生頻率都會(huì)減少。

2013-2014年是太陽(yáng)活動(dòng)的極大期，預(yù)計(jì)太陽(yáng)活動(dòng)將在2024-2025年迎來(lái)第25個(gè)極大期，2024年正處極大期的上升階段，太陽(yáng)耀斑爆發(fā)非常頻繁，下圖是2024年5月產(chǎn)生的幾十個(gè)極端耀斑事件，引發(fā)了地磁暴，并在新疆、北京等地形成了絢麗多彩的極光。耀斑爆發(fā)的能級(jí)從小到大分成A、B、C、M、X五個(gè)等級(jí)，等級(jí)依次增強(qiáng)。

大部分太陽(yáng)耀斑的壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間，并在短時(shí)間內(nèi)會(huì)伴隨大量能量釋放，如XX1級(jí)耀斑瞬間釋放的能量相當(dāng)于地球上相同接收面積1000多年時(shí)間接收到的能量總和。

今年5月部分時(shí)間太陽(yáng)耀斑爆發(fā)能量觀(guān)測(cè)結(jié)果

（圖片來(lái)源：空間環(huán)境預(yù)報(bào)）

知己知彼 防患未然

地磁暴會(huì)在全球各地引發(fā)通信障礙、停電和衛(wèi)星失效等問(wèn)題，其中最著名的要數(shù)卡林頓事件。1859年9月1日早晨，英國(guó)天文愛(ài)好者卡林頓在觀(guān)測(cè)太陽(yáng)黑子時(shí)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)北側(cè)的一個(gè)大黑子群內(nèi)突然出現(xiàn)了兩道極其明亮的白光，在一大群黑子附近正在形成一對(duì)明亮的月牙形東西。后經(jīng)確認(rèn)，卡林頓看到的這一現(xiàn)象是太陽(yáng)耀斑爆發(fā)的過(guò)程，這一事件被稱(chēng)為卡林頓事件。

在耀斑爆發(fā)十七個(gè)半小時(shí)以后，地磁儀的指針因超強(qiáng)的地磁強(qiáng)度而跳出了刻度范圍，幾乎同一時(shí)間，各地電報(bào)局電報(bào)機(jī)的操作員報(bào)告說(shuō)他們的機(jī)器在閃火花，甚至電線(xiàn)也被熔化了，且在這天夜里，天空中五顏六色的北極光一直向南彌漫至古巴和夏威夷等地。

北極光

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

卡林頓事件是一次超強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)事件。類(lèi)似的超強(qiáng)事件在歷史上曾出現(xiàn)過(guò)多次，例如1989年3月的那次太陽(yáng)風(fēng)暴曾經(jīng)造成加拿大魁北克省整個(gè)配電網(wǎng)故障，而2003年10月30日特大的太陽(yáng)風(fēng)暴曾使兩顆衛(wèi)星失靈，造成全世界通信和電網(wǎng)中斷。

基于此，科學(xué)家們認(rèn)為太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)的研究一方面是太陽(yáng)物理基礎(chǔ)研究的核心問(wèn)題，是研究其他恒星和等離子體物理的天然實(shí)驗(yàn)室，為未來(lái)探究日冕加熱問(wèn)題等提供幫助；另一方面是可以預(yù)報(bào)太陽(yáng)活動(dòng)，為災(zāi)害性空間天氣提供有效的提前預(yù)警。

太陽(yáng)表面與太陽(yáng)耀斑概念圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

太陽(yáng)研究我們有話(huà)要說(shuō)

自20世紀(jì)80年代，中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)便在南山觀(guān)測(cè)站建成了太陽(yáng)色球、光球雙筒望遠(yuǎn)鏡和太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，主要開(kāi)展太陽(yáng)耀斑爆發(fā)的物理機(jī)制研究并提供太陽(yáng)活動(dòng)的預(yù)報(bào)。

南山觀(guān)測(cè)站遠(yuǎn)景圖

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)）

經(jīng)多年發(fā)展，新疆天文臺(tái)太陽(yáng)物理研究團(tuán)組于2018年正式成立，團(tuán)組成立后聚焦新疆天文臺(tái)科研中心工作，以搶占科技制高點(diǎn)為目標(biāo)，取得了一系列研究成果：

一是在太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)磁能釋放過(guò)程中研究了耀斑環(huán)和日冕磁環(huán)的動(dòng)力學(xué)演化(Shen ApJ,2014)，首次揭示了耀斑早期磁流繩形成的過(guò)程(Shen,ApJ,2017），首次報(bào)道了耀斑早期磁流繩電流的注入驅(qū)動(dòng)了耀斑的爆發(fā)(Shen,RAA,2022,2023)，運(yùn)用高分辨率的觀(guān)測(cè)，報(bào)道浮現(xiàn)活動(dòng)區(qū)米粒浮現(xiàn)過(guò)程的偶極場(chǎng)分離運(yùn)動(dòng)和拱形暗條系的形成，揭示了小尺度磁流浮現(xiàn)的起源(Shen,ApJ,2022)，在日冕加熱問(wèn)題的研究中直接觀(guān)測(cè)到太陽(yáng)光球磁聲波振蕩導(dǎo)致的日冕加熱(Hashim，RAA,2021，ApJ 2024)。

二是在太陽(yáng)射電爆發(fā)及輻射機(jī)制研究方面，提出了射電V型和運(yùn)動(dòng)IV型爆發(fā)可能的輻射模型(Tang,ApJ,2016,2020)，太陽(yáng)射電精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究(Tang,RAA,2021,Wan A&A,2021)。

三是在激波粒子加速方面，模擬研究雙激波追趕效應(yīng)，模擬研究CME激波與地球弓激波“迎面”碰撞，發(fā)現(xiàn)了合并的粒子能譜出現(xiàn)“折斷”特征(Wang,ApJ,2017)，發(fā)現(xiàn)了粒子注入率與加速效率成正相關(guān)關(guān)系(Wang,ApJ,2019)。

磁流繩形成的證據(jù)

（圖片來(lái)源：作者提供 Shen et al, ApJ,2017）

耀斑前兆非熱電子加速的證據(jù)

（圖片來(lái)源Shen et al, RAA,2022）

作為“十四五”重點(diǎn)培育方向，新疆天文臺(tái)太陽(yáng)物理“太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)與空間天氣研究”通過(guò)揭示不同尺度太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)演化、耀斑磁能積累和釋放、日冕加熱等做出系列研究工作。我們的研究成果一方面可以解決太陽(yáng)物理基礎(chǔ)研究的核心問(wèn)題，另一方面能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)太陽(yáng)活動(dòng)的爆發(fā)，為災(zāi)害性空間天氣提供可靠的預(yù)警信息。

日冕加熱通道的研究證據(jù)

（圖片來(lái)源：Haxim et al. ApJ, 2024作者提供）

雖比高飛雁，猶未及青云。新疆天文臺(tái)太陽(yáng)物理研究團(tuán)組處在黃金時(shí)代，在不久的將來(lái)，一是要爭(zhēng)取在低頻段建設(shè)超高時(shí)間和頻譜分辨率的射電望遠(yuǎn)鏡，或?qū)ΜF(xiàn)有觀(guān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行必要的升級(jí)改造，以滿(mǎn)足更高水平的太陽(yáng)觀(guān)測(cè)；二是爭(zhēng)取更多的小型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡能夠落實(shí)落地，支撐我國(guó)太陽(yáng)物理實(shí)測(cè)研究的快速發(fā)展；三是利用國(guó)際國(guó)內(nèi)大口徑望遠(yuǎn)鏡，對(duì)不同尺度太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的物理機(jī)制開(kāi)展研究，為空間天氣預(yù)報(bào)做到及時(shí)預(yù)警。

未來(lái)的路需要交給時(shí)間去驗(yàn)證，新疆天文臺(tái)太陽(yáng)物理團(tuán)組成員將緊抓當(dāng)下、布局未來(lái)，用無(wú)悔的青春鋪就通往美好明天的科學(xué)之路。

來(lái)源: 中國(guó)科普博覽

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