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。
特征
太阳耀斑,表现为太阳辐射从射电波段到X射线的整个电磁波段的突然增亮,是贮存在太阳大气内磁能突然释放的结果。俗称为‘太阳风暴’。耀斑的产生是磁场能量快速释放的结果。巨大的能量快速释放出来,猛烈爆发,形成了色球层的“增亮”。n
太阳耀斑出现的频率不定,在太阳活跃时,可几日就出现一次。相反在太阳稳定时,整星期也未必出现一次。小型耀斑比大型耀斑较多出现。太阳的活动周期为11年,在活动高峰期时有特别多黑子出现,同时亦有较多耀斑出现。一般认为发生在色球层中,所以又叫“色球爆发”。
耀斑的显著特征是辐射的品种繁多,不仅有可见光,还有射电波、紫外线、红外线、X射线和γ射线。
其主要观测特征是,日面上(常在黑子群上空)突然出现迅速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之间,亮度上升迅速,下降较慢。
成因
和地球的大气层一样,太阳大气层可以按照不同的高度和性质分成各个圈层。从内向外,依次是光球层、色球层和日冕层。太阳耀斑就发生在色球层上。
耀斑是在太阳的色球-日冕过渡层中发生的一种局部辐射突然增加的太阳活动。太阳上的等离子被加热至一千万度,电子、质子及一些重离子被加速到接近光速。这些离子发出的电磁波波段由电磁波谱上的长波微波至最短波长的γ射线。
大部分耀斑都出现在太阳活跃的区域如黑子附近,即是太阳表面磁场线露出日冕的部分。耀斑的能量主要来自于日冕突然释放的磁能。耀斑出现后,可以观察到亮度突然增加,射电波、紫外线、X射线流量也会猛增,有时还会发射高能的γ射线和高能带电粒子。耀斑所放出的X射线及紫外线可影响地球大气层中的电离层,破坏人类的电磁通讯。
耀斑在1859年被首次发现。
发生条件
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,当太阳黑子的磁场上存在另一个结构特殊的小规模磁场时,就会发生耀斑现象。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。
能量与辐射
能量相当于10万至100万次强火山爆发的总能量,或相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸;而一次较大的耀斑爆发,在一二十分钟内可释放巨大能量,除了日面局部突然增亮的现象外,耀斑更主要表现在从射电波段直到X射线的辐射通量的突然增强;耀斑所发射的辐射种类繁多,除可见光外,有紫外线、X射线和γ射线,有红外线和射电辐射,还有冲击波和高能粒子流,甚至有能量特高的宇宙射线。
发生规律
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。
威力分级
耀斑面积的大小是耀斑辐射规模的重要指数,国际上采用耀斑亮度达到极大时的面积作为耀斑级别的主要依据,同时定性的描述耀斑的极大亮度。根据耀斑的Hα单色光面积大小,光学耀斑分为五级,分别以S、1、2、3、4表示。在级别后加F、N、B分别表示该光学耀斑在Hα线中极大亮度是弱的、普通的、还是强的。所以最大最亮的耀斑是4B,最小最暗的是SF。
地球电离层对太阳软X射线辐射强度变化反应敏感,所以国际上也广泛采用1~8埃的软X射线辐射强度对X射线耀斑进行定级。目前按照美国GOES卫星观测的软X射线峰值流量的量级将耀斑分成五级,分别为A、B、C、M和X,所释放能量依次增大。各等级后面的数值表示X射线峰值流量的具体数值。如,M2级表示耀斑软X射线峰值流量为2×10-2瓦/平方米。
一般来讲,C级以下的耀斑均为小耀斑;M级耀斑为中等耀斑;X级耀斑则为大耀斑。
2003年10月底至11月初期间的万圣节太阳风暴中(因正值西方万圣节期间而得名),太阳上爆发了一系列大耀斑事件。其中,11月4日爆发的X28级耀斑是GOES卫星观测以来的最大耀斑。
分类
随着不断的研究,天文学家将耀斑分为:
光学耀斑: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(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。
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。
质子耀斑(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。
警报级别
对于耀斑的警报级别划定,通常以地球同步轨道卫星观测到的太阳X射线流量来表征,这里射线流量指在单位时间、单位面积上接收到的0.1纳米~0.8纳米太阳X射线的辐射能量,单位是瓦/米2。不同量级的太阳X射线流量表示不同级别的X射线耀斑,射线流量大于10-3瓦/米2为强耀斑,发红色警报;射线流量大于10-4瓦/米2为中等耀斑,发橙色警报;射线流量大于10-5瓦/米2为弱耀斑,发黄色警报。太阳X射线耀斑引起地球向阳面电离层电子密度增加,影响短波无线电通信和低频导航系统。耀斑的级别越高,对短波通信和低频导航系统的影响愈严重。
影响
耀斑向外辐射出的大量紫外线、X射线等,到达地球之后,就会严重干扰电离层对电波的吸收和反射作用,使得部分或全部短波无线电波被吸收掉,短波衰弱甚至完全中断。
耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸,地球大气层即刻出现缭绕余音。耀斑爆发时,发出大量的高能粒子到达地球轨道附近时,将会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。当耀斑辐射来到地球附近时,与大气分子发生剧烈碰撞,破坏电离层,使它失去反射无线电电波的功能。无线电通信尤其是短波通信,以及电视台、电台广播,会受到干扰甚至中断。耀斑发射的高能带电粒子流与地球高层大气作用,产生极光,并干扰地球磁场而引起磁暴。
此外,耀斑对气象和水文等方面也有着不同程度的直接或间接影响。正因为如此,人们对耀斑爆发的探测和预报的关切程度与日俱增,正在努力揭开耀斑迷宫的奥秘。
爆发时间
1989年袭击魁北克的耀斑造成近600万市民断电。
2003年10月底11月初,科学家目睹了一场有记录以来最大的太阳耀斑(solar flare)爆发。这些带电粒子大规模地倾泻而出,即使在地球以及地球周围的空间里也显而易见——这里距离源头整整有1.5亿千米远。在地球上,定期航班避开了高空航线,因为在那里,飞行员可能会遇到无线电通讯方面的问题,乘客和乘务人员可能吸收到的辐射剂量令人担忧。电网也不得不严格监控电涌(surge)。尽管有了这些努力,瑞典南部的5万户居民还是短暂地失去了电力供应。
2012年2月29日,科学家发出警告说,未来10年地球被太阳超级耀斑击中的概率高达12%,这将导致几万亿美元的经济损失。
2011年曾发生过一次X6.9级的耀斑爆发,是近5年来最为剧烈的一次。
2012年太阳也生一系列X级耀斑爆发,其中包括一次X5.4级的耀斑爆发。
太阳目前正逐渐接近其第24个活动高峰,本次活动周期大致从2008年前后开始,预计一直会延续到2019至2020年。