太阳耀斑及其研究新进展
编排：司今（[email protected]）
太阳耀斑(Solar flare)是一种最剧烈的太阳活动。周期约为11年。一般认为发生在色球层中，所以也叫"色球爆发"。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。特别是在耀斑出现频繁且强度变强的时候。
太阳耀斑发生时会向外发射各种电磁辐射，并伴随粒子辐射突然增强。
多种手段的综合观测表明，耀斑发生时，从波长短于1埃的γ射线和X射线，直到波长达几公里的射电波段，几乎全波段的电磁辐射都有增强的现象，并发射能量从103电子伏特直到109电子伏特的各种粒子流。其中，电磁辐射增强主要发生在短波辐射（X射线和紫外光）和射电波段。因此，耀斑更准确的定义应包括所有上述一系列的突变现象，而Hα辐射的增强只是耀斑发生的一种次级标志。
耀斑成因
耀斑发生前所对应的黑子、磁场和Hα观测
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。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。
耀斑分类
太阳耀斑
根据观测手段的不同，主要分为光学耀斑、X射线耀斑等。通常，可见光范围内的单色光观测的耀斑习惯地称为光学耀斑，X射线波段观测的耀斑称为X射线耀斑，与质子事件相对应的耀斑则称为质子耀斑。
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。
Hα观测的耀斑爆发（BBSO，1972-08-07）
X射线耀斑：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。
质子耀斑：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。
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。
耀斑能量
耀斑的持续时间在几分钟到几十分钟内，在这短暂的时间里却能释放出1020～1025焦耳的巨大能量，这大约相当于上百亿颗巨型氢弹同时爆炸释放的能量，或者相当于十万至百万次强大火山爆发释放的能量总和，可见其威力之大。不过对于太阳这个巨大的能源来讲，它也不过只占太阳辐射总能量的万分之一左右。
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约束耀斑及其成因的新研究
耀斑，从字面上理解，就是闪耀的“小”点，发生于太阳大气之中。闪耀就是各种电磁辐射的剧烈增强。别看，点“小”，这是相对于太阳而言的。一个这样的所谓小点，尺度少说也会有几千上万公里，所释放的辐射能量，足以横扫千军万马，按人头来分，一次典型的耀斑能量，可以让地球人人均一枚氢弹。
约束耀斑是属于X射线辐射耀斑，当这种从太阳表面被辐射出来时，没有大批物质跟着被抛出太阳。
对于此类耀斑，以往研究多关注为啥“约束”，就是为啥不向外抛射物质。大家知道，抛射物质要有“投掷机”，具备相当的肌肉和力量，要有加速有运动有做功。太阳大气中的这种巨大的抛射力都是磁场作用于电流的磁力，与地球生活中无处不在的让电动机转动的力量是一致的。显然，在约束耀斑中，这种力量不存在或很弱，或者有但还不够强大。对应的，就有两种约束耀斑的产生机理。
一种是相对简单的磁环和磁环作用的图景，方向不同的磁环交叉贴近，交叉点如果磁场方向不同的话，就可能会催生巨大的电流，电流烧蚀（专业中称为磁场重联）的时候就是磁场能量转化为粒子能量并引起辐射增强，也就是耀斑爆发的时候。这种图景下，没有太大的磁力，也就不太可能将物质抛出太阳。
另一种就是包含磁场缠绕结构（大概就是在多处交错的好几个环所缠绕形成的结构）的爆发过程，由于结构比较复杂，电流（就是磁场扭缠的产物）和磁场交织在一起，爆发力也强，但如果太阳大气背景磁场的致稳的作用力更强，那就白搭了，允许爆发一会，但突不破太阳大气磁场的“挽留”，称为“失败的爆发”。这一类事件是由我国学者季海生研究员最先报道的。
在各类耀斑通用的标准图景中，有一个关键的环节：电流烧蚀导致磁能转化为高能电子的能量，也就是会加速产生大量高能电子；这些电子像子弹一样高速击向高密低温的低层太阳大气物质，在那里高能电子的能量又交给这些“高冷”的物质，让其变得“高热”，从而迅速向外蒸发（称为色球蒸发）。高能电子将能量交出时，产生所谓韧致辐射，一般从软X射线(<20-30keV)到硬X射线(>20-30keV)波段均有辐射增强；而那些高热等离子体上涌时，同时产生热韧致辐射，在软X射线波段辐射最为显著。上涌，即色球蒸发过程，是一个相对慢的过程，相对于高能电子的运动而言，是需要花不少时间的。这使得前面介绍的“先硬后软”的X射线辐射特征，在X光子的流量计数曲线上就会表现出两个峰，而且双峰主要表现在软X射线所处的能量范围。
以往的文章观测报道了一批“先硬后软”类的双峰事件，通常被认为是对上述标准图景中色球蒸发过程存在的观测依据。
本文所研究的事件，大家都猜到了，就是一例约束耀斑事件，表现出非常明显的此类X射线辐射双峰特征。但我们分析论证，后一峰并非源自色球蒸发过程，而是源自日冕稍高处磁场重联---电流烧蚀所引起的直接加热过程。请注意，上面解释的色球蒸发其实应理解为一种重联的“间接加热”，即不是发生在重联区的加热。我们的依据主要是：温度太高了，到了三千万度了都，通常色球蒸发难以蒸出这么高的温度；多个波段分析都表明，对应的高温能量是直接在日冕稍高处直接释放的，应该是发生于重联区的直接加热过程。这与色球蒸发不是一个概念（因而有新意）。
这例约束耀斑的图景与“环环”作用图景完美吻合！强大的NASA卫星成像功能，使得环环作用清楚地展现出来！与双峰特征相呼应，环环作用过程也表现出相随的两个演化阶段，这些都是标准图景所无法预测的。
当然，最后不得不说，作为成年的科研工作者，当尽力带队走向“科研的起点”，而绝不能满足于、停留在使用NASA卫星等的数据资料开展科研工作！
图1：这是此次耀斑期间，观测到的X射线流量随时间的变化情况。可见，耀斑起始后，X射线辐射增强了几百上千倍。三条竖直虚线将爆发过程划分为两个阶段。本文的目的主要就是研究后一阶段辐射的产生原因。
图2：SDO-AIA所拍摄到的耀斑期间环环作用过程。关键部位都用箭头指出了。大家自己感觉一下环环交错、套紧再重新连接排布的过程。最后的图是所绘制的卡通示意图。
图3：两个阶段中峰值时刻X射线谱拟合的结果。可以看到，此次双峰事件具有明显的“先硬后软”的特征。
【注】本文选自「科学网」：http://blog.sciencenet.cn/blog-685476-1096566.html
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