太陽耀斑輻射擾動磁層空間


太陽耀斑是一種最劇烈的太陽爆發現象。耀斑在短短一、二十分鐘內,可釋放出幾十億顆百萬噸級氫彈爆炸相當的能量,耀斑期間產生的X射線及極紫外輻射等不同波段輻射會出現不同程度的增強,造成電離層各高度的電子密度不同程度增加,從而使各種電離層產生突然擾動現象,影響高頻無線電通訊質量甚至使通訊中斷。近來的研究發現:X5級以上強耀斑會加熱中性大氣,引起熱層大氣溫度升高及密度增,增加低地球軌道衛星在軌道上運行的阻力,使得衛星消耗更多燃料維持既定軌道,從而影響它們的工作壽命。

到目前為止,所有的研究都認為太陽耀斑的影響主要集中在電離層與熱層高度,對於更高的磁層幾乎不會有任何的影響。磁層位於電離層之上幾千至幾萬公里高度的區域,受到太陽風包圍,並且受地球磁場和太陽風磁場的共同影響和控制。因為太陽風粒子無法穿透地球磁層而直接進入地球上空,所以一般將磁層視為地球抵禦太陽風粒子攻擊的屏障。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發生磁重聯過程,即太陽風磁力線與地球磁力線相互連通,導致太陽風中的粒子直接傳輸至地球上空。那麼,以增強輻射為主要特徵的耀斑過程,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呢?

為破解這個科學問題,山東大學劉晶教授團隊針對2017年9月6日發生的X9.3級強耀斑(上圖),聯合多種觀測數據開展有系統的分析。分析的觀測數據包括全球衛星導航系統、歐洲非相干散射雷達網、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佈。同時,他們還結合了大型數值模型:高時空分辨率磁層-電離層-熱層理論模型的數值模擬,重現觀測到的由耀斑觸發的磁層-電離層耦合系統的變化,首次揭露太陽耀斑對磁層的影響。這是首次發現並報導耀斑對磁層的影響。

劉晶團隊的研究顯示,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,從而使太陽風衝破地球日側防禦進入地球上空變得更加困難,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注入的能量;此外,相應極區電離層電導率梯度的劇變會影響到磁層等離子體的對流過程,使之重新分佈,減弱極區電離層電場,並調製極區電離層高能粒子的沉降過程。因此,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磁層在內的整個地球上空區域,而不僅僅局限於先前認為的高層大氣與電離層區域,這次研究發現更新了人們對太陽-磁層-電離層耦合過程的整體認識。

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,今次研究還為探索和理解太陽耀斑對其它行星的影響提供新的線索。例如,研究耀斑對同樣具有磁層的行星(例如:木星、金星和土星等)所產生的影響,有助於洞悉行星早期的大氣演化,揭露究竟是怎樣影響中生命出現的機會,為科學家研究行星環境與行星大氣變遷和系外行星的宜居性研究提供新的參考。

【圖:美國太空總署;文:節錄自中國科學院地質與地球物理研究所2021年4月7日新聞公佈;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2021年3月22日出版的《自然-物理學》期刊

發表評論