耀斑爆發，地球竟會「自衛」！山大空間攀登團隊為你揭秘！

最近，山東大學「太陽爆發及其對行星空間環境的影響」攀登團隊極區電離層-磁層耦合課題組劉晶教授與美國國家大氣研究中心王文斌研究員，中科院地質地球所劉立波研究員，美國達特茅斯學院William Lotko教授等所組成的國際團隊在著名學術期刊 Nature Physics （5年影響因子21.797）發表了關於太陽耀斑的地球空間效應研究的最新成果。論文題為「Solar flare effects in the Earth’s magnetosphere」，山東大學為論文第一和通訊作者單位，劉晶教授為第一和通訊作者。

什麼是太陽耀斑？耀斑爆發時會產生什麼樣的後果？地球又是如何「自衛」的？下面就讓珊珊來一一解答你的疑惑~

電離層受擾動

耀斑是太陽大氣上局部區域最劇烈的爆發現象，在短短一、二十分鐘內耀斑可釋放出相當於幾十億顆百萬噸級氫彈爆炸當量的能量，導致幾乎全波段電磁輻射如X射線、極紫外線輻射等突然增強。

耀斑分A、B、C、M、X五個等級，強度依次遞增，其中M、X級耀斑會給地球空間環境造成顯著影響。2017年9月6日世界時09:10，太陽爆發產生一例X2.2級的耀斑；3小時之後，有一更為強大的X9.3級耀斑也爆發出來，並成為在第24太陽活動周中、十餘年來所觀測到的最強耀斑事件。據美國國家海洋和大氣管理局空間天氣預警中心報導，此次耀斑事件導致地球上朝向太陽一側區域的高頻無線電通訊「大範圍失靈，失聯時間長達一小時」。

據當時的報導，這是一個「十年級」的耀斑。在1976年以來記錄的最強太陽耀斑列表中，它排在第14位，與1990年的大爆發類似。

劉晶教授介紹，此次無線電通訊中斷與被稱為「懸在天空中的鏡子」——電離層有關。電離層是由太陽輻射電離地球高層大氣所產生的，位於距地面上方60~1000千米的區域。「鏡子」般電離層的存在，使得遠距離無線通訊成為了可能。當耀斑爆發時，隨著太陽輻射強度的迅速增強，大氣中的電離過程顯著增強，導致其中的電子密度迅速升高，並引起突發電離層擾動。此時，在電離層中傳播的高頻無線電波會突然衰減甚至中斷，直接影響無線電通訊尤其是短波通訊（包括電視臺、電臺廣播等），也影響導航系統的信號傳輸和定位精度等。

此外，耀斑還能加熱中性氣體，增加神舟、天宮等低地球軌道太空器的大氣密度與阻力，使得太空器需消耗更多燃料維持既定軌道，從而影響其工作壽命。

磁層「加持」

關於耀斑能否影響電離層以外的區域， 據研究，磁層位於電離層上方區域，一般對應於距離地面~1000千米以上完全電離的空間區域。該區域被太陽風包圍著，並受地球磁場和太陽風磁場的共同影響和控制。因太陽風粒子無法橫跨地球磁層而直接進入地球空間，故一般將磁層視為地球抵抗太陽風粒子「攻擊」的「屏障」或「鎧甲」。但是，當太陽風與地球磁層的磁場方向相反時，源自雙方區域的磁力線會「連」在一起並相互貫通，導致太陽風中的粒子直接傳輸至地球空間。

那麼，以增強輻射為主要特征的耀斑過程，除了直接影響地球電離層區域外，能否也像太陽風那樣引起磁層區域的擾動，一直以來是科學界熱門研究的課題。

採用多項「利器」

為破解這一科學問題，山東大學空間科學研究院劉晶教授團隊採用了系列觀測「利器」，包括全球衛星導航系統、歐洲非相關散射雷達網、覆蓋南北極區的超級雙子極光雷達網、電離層衛星和月球軌道衛星等，將這些「利器」數據聯合分析，便獲得日側太陽風-磁層相互作用、全球磁層-極區電離層大尺度對流、沿磁力線的場向電流和全球電離層電子密度等多參量、多區域的對應參數分布。

該工作還結合了大型數值模式：高時空分辨率磁層-電離層-熱層理論模型（LTR）的數值模擬，再現了觀測到的由耀斑觸發的磁層-電離層耦合系統的變化，首次揭示了耀斑對磁層的影響。據悉，劉晶教授參與開發了LTR模式中與電離層、磁層作用過程有關的部分關鍵模塊。

該研究表明，當耀斑發生時，突然增強的太陽輻射通量會引起電離層電導率的迅速增加，從而使太陽風「沖破」地球日側「鎧甲」進入地球空間變得更加困難，減弱了太陽風-磁層-電離層間的能量耦合效率，也減少了太陽風和磁層向地球高空大氣註入的能量；此外，相應極區電離層電導率梯度的劇變會影響到磁層電漿的對流過程，使之重新分布，減弱了極區電離層電場，並調制極區電離層高能粒子的沉降過程。因此，該研究證實耀斑所產生的電離層效應可通過電動力學耦合擴展並影響到包括廣袤磁層在內的整個地球空間區域，而不僅僅局限於先前認為的高層大氣與電離層區域，這更新了人們對太陽-磁層-電離層耦合過程的全局認識。

太陽耀斑影響整個地球空間的示意圖

該發現有望改進現有的太陽風-磁層-電離層耦合模型，例如在模型中採用更高時間分辨率的時變太陽輻射光譜數據，提升模型診斷地球空間響應太陽瞬時輻射變化的能力，為預測包括磁層在內的整個地球空間響應太陽瞬時輻射變化奠定了理論基礎。

此外，由於其它類地行星也廣泛存在著類似的太陽-磁層-電離層耦合過程，該研究還為探索和理解太陽耀斑對其他行星的影響提供了新的線索。例如，研究耀斑對同樣具有磁層的行星（如木星、金星和土星等）所產生的影響，有助於洞悉此類行星早期的大氣演化，揭秘究竟是怎樣的「藏鏡人」影響其中生命出現的機會。這為科學家們研究行星空間環境與行星大氣變遷和系外行星的宜居性提供了新的參考。

該項研究得到了中科院B類先導專項、國家自然科學基金，國家重大科技基礎設施建設專項——子午工程，以及山東大學傑出中青年學者計劃的資助與支持。

論文鏈接 ：http://dx.doi.org/10.1038/s41567-021-01203-5

相幹成果： Liu, J., Qian, L., Maute, A., Wang, W., Richmond, A. D., Chen, J., Jiuhou Lei, Qinghe Zhang Zanyang Xing (2021). Electrodynamical Coupling of the Geospace System during Solar Flares. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2020JA028569. Doi:10.1029/2020JA028569.

相幹報導：科學網：科學家揭示太陽超級耀斑輻射擾動磁層空間

素材來源 | 威海校區宣傳部 融媒體中心

文 | 劉晶

編輯 | 金敏 胡明霄

責任編輯 | 苗立群 耿嘉澤