天天關注：太陽也會“海嘯”？新研究或已破解莫爾頓波之謎

中國科幻電影《流浪地球》里有這樣一個駭人聽聞的場景：由于地球停止自轉，上海地區(qū)的海平面將上升300米，全世界大量沿海地區(qū)將被海嘯吞沒！可見，人類在海嘯面前是多么的脆弱。作為地球上影響范圍最廣的爆發(fā)性自然災害之一，海嘯的波速高達800公里每小時，可以傳播數千公里。海嘯主要是由海底地震、火山爆發(fā)、海底滑坡等活動引發(fā)的。這種劇烈的爆發(fā)活動，不僅會在地球上發(fā)生，在太陽上經常出現(xiàn)，如日冕物質拋射和耀斑，這些爆發(fā)活動也能引發(fā)能量更高、尺度更大的“太陽海嘯”。

圖1:地球海嘯（圖源：網絡）

(資料圖片僅供參考)

“太陽海嘯**”的“**?！?/strong>

“太陽海嘯”是在太陽大氣中傳播的一種波動現(xiàn)象，所以可將太陽大氣視為這種波的傳播媒質——“太陽?！?。如同地球海嘯一樣，太陽大氣在很大程度上決定了“太陽海嘯”的性質。

太陽通過核心區(qū)域的核聚變不斷產生能量，然后這些能量向外通過輻射區(qū)、到達外面的太陽大氣。太陽大氣由內到外可分為光球層、色球層、過渡區(qū)和日冕，充滿著等離子體或電離的氣體。光球就是肉眼可見的太陽發(fā)光圓盤，厚度約500公里；光球上方是厚度約2000公里的色球層和約100公里厚的過渡區(qū)；過渡區(qū)再往外就是日冕層，范圍可以一直延伸到行星際空間。光球的溫度在5000度左右，色球溫度范圍在4000-20000 度，日冕溫度則高達百萬度量級。太陽大氣中的等離子體密度，在光球、色球和過渡區(qū)中急劇下降，而在日冕中則下降緩慢。另外，太陽大氣中充滿了磁場，這些磁場由太陽內部產生并不斷浮現(xiàn)到上方大氣中，最終影響甚至控制著太陽大氣中的活動現(xiàn)象。

圖2:“太陽?！保▓D源：維基百科）

任何擾動都會產生波動。地球大氣中的擾動可以產生聲波，地震波也是聲波的一種。在太陽大氣之中，擾動激發(fā)的主要是磁聲波，即聲波和磁場的波動（一種由磁力線晃動引起的、被稱之為阿爾文波的波動）耦合在一起產生的。這些磁聲波的速度可以從一兩百公里每秒一直到上千公里每秒。

“太陽海嘯”的發(fā)現(xiàn)

“太陽海嘯”，表現(xiàn)為太陽大氣中從爆發(fā)源區(qū)向四面八方傳播的圓形波前，因其輻射增強主要集中在 極紫外波段，所以又稱為日冕極紫外（EUV）波。另外，由于最早是被 1995年發(fā)射的太陽和日球層天文臺（SOHO）衛(wèi)星上的極紫外成像望遠鏡（EIT）觀測到的，所以最早的名字是日冕EIT波。首例“太陽海嘯”是在1997年被EIT探測到的，但它的存在卻是早在20多年前就被預言的。

圖3: “太陽海嘯”。（圖源：NASA/STEREO）

早在太陽觀測衛(wèi)星上天之前，天文學家主要依靠地面望遠鏡觀測太陽。 20世紀60年代初，美國天文學家蓋爾.莫爾頓（Gail Moreton）便觀測到了發(fā)生于太陽色球層中的“海嘯”現(xiàn)象，下圖給出了一個例子。這種波強度比較弱，但速度高度上千公里每秒，幾乎可以在太陽表面全球范圍內傳播。后人把這種“色球海嘯”稱之為莫爾頓波。

圖4:“色球海嘯“（圖源：美國國家太陽天文臺和美國海軍研究實驗室）

這么快的莫爾頓波是色球層中產生的波嗎？考慮到色球阿爾文速度（約100公里每秒）比較小，1000公里每秒的高速色球磁聲波就只能是非常非常強的激波了（馬赫數約為10）。但是，這么強的激波應該會很快衰減，傳播距離很短，跟觀測不符。

為了解決這個問題，1968年日本天文學家內田裕中（Yutaka Uchida）提出：莫爾頓波是在日冕中傳播的快速激波向下壓縮色球所留下的“足跡”。這樣，莫爾頓波的速度是由日冕中的磁聲波速度決定的，并不決定于色球中的磁聲波速。這個理論能解釋莫爾頓波的很多觀測特征，同時也跟很多科學理論一樣，做出了一項預言：日冕中存在著“海嘯”！由于日冕輻射波段多集中在極紫外(EUV)或軟X射線波段，而這些輻射是無法穿越大氣到達地面的，因此，為驗證這個預言需要發(fā)射太陽觀測衛(wèi)星到天上去。這就回到了前面所介紹的---EUV波或EIT波的發(fā)現(xiàn)。

罕見的**“色球海嘯”——莫爾頓波**

自被發(fā)現(xiàn)以來，只觀測到數十例莫爾頓波。然而，自多個太陽衛(wèi)星上天以來，已觀測到了上千個“太陽海嘯”事件。那么問題來了，既然“太陽海嘯”是莫爾頓波的源頭，為什么這么多的“太陽海嘯”只產生了這么少的“色球海嘯”？也就是莫爾頓波為什么如此罕見？

近期，山東大學空間科學研究院鄭瑞生教授和陳耀教授及其合作者（包括南京大學陳鵬飛教授和北京大學田暉教授）在國際學術期刊《天體物理學研究快報》上發(fā)表論文，為解決“太陽海嘯”“色球分嘯”的罕見之謎提供了關鍵證據。

該研究發(fā)現(xiàn)，對于伴有莫爾頓波的日冕EUV波，在其波前底部均存在一段銳利且明亮的區(qū)域，而且在源自日冕與色球中間區(qū)域即所謂過渡區(qū)的304埃譜線上也存在類似波動響應；更令人驚訝的是，這類事件都是由傾斜爆發(fā)引起的。因此，提出“太陽海嘯”可成功激發(fā)“色球海嘯”的最為關鍵的因素之一，是爆發(fā)的高度傾斜（偏離徑向70度左右）位形。高度傾斜的“太陽海嘯”波前能夠更強烈壓縮太陽低層大氣從而激發(fā)“色球海嘯”，而高度傾斜爆發(fā)的不常發(fā)生或“罕見”很可能正是天文學家尋覓許久的導致“色球海嘯”罕見的關鍵原因！該研究對全面理解“太陽海嘯”的激發(fā)機制和立體傳播有著重要意義，還可以間接揭示傾斜爆發(fā)的觸發(fā)機制和高能粒子的加速機制，從而為空間天氣預報提供重要信息。

圖5:傾斜爆發(fā)中的“太陽海嘯”（圖源：Zheng et al. ApJL, 2023）

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：鄭瑞生

審核：韓文標 中國科學院上海天文臺 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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