太陽耀斑及其研究新進展
編排：司今（[email protected]）
太陽耀斑(Solar flare)是一種最劇烈的太陽活動。週期約為11年。一般認為發生在色球層中，所以也叫"色球爆發"。其主要觀測特徵是，日面上(常在黑子群上空)突然出現迅速發展的亮斑閃耀，其壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間，亮度上升迅速，下降較慢。特別是在耀斑出現頻繁且強度變強的時候。
太陽耀斑發生時會向外發射各種電磁輻射，並伴隨粒子輻射突然增強。
多種手段的綜合觀測表明，耀斑發生時，從波長短於1埃的γ射線和X射線，直到波長達幾公里的射電波段，幾乎全波段的電磁輻射都有增強的現象，併發射能量從103電子伏特直到109電子伏特的各種粒子流。其中，電磁輻射增強主要發生在短波輻射（X射線和紫外光）和射電波段。因此，耀斑更準確的定義應包括所有上述一系列的突變現象，而Hα輻射的增強只是耀斑發生的一種次級標誌。
耀斑成因
耀斑發生前所對應的黑子、磁場和Hα觀測
太陽大氣中充滿著磁場，磁場結構越複雜，越容易儲存更多的磁能；當儲存在磁場中的磁能過多時，會通過太陽爆發活動釋放能量，太陽耀斑即是太陽爆發活動的一種形式。
長期的觀測發現，大多數耀斑都發生在黑子群的上空，且黑子群的結構和磁場極性越複雜，發生大耀斑的幾率越高。平均而言，一個正常發展的黑子群幾乎幾小時就會產生一個耀斑，不過真正對地球有強烈影響的耀斑則很少。
耀斑分類
太陽耀斑
根據觀測手段的不同，主要分為光學耀斑、X射線耀斑等。通常，可見光範圍內的單色光觀測的耀斑習慣地稱為光學耀斑，X射線波段觀測的耀斑稱為X射線耀斑，與質子事件相對應的耀斑則稱為質子耀斑。
光學耀斑：太陽爆發時光學波段亮度突然增強的現象，稱為光學耀斑；波長在3900~7000埃之間。耀斑在氫的Hα線和電離鈣的H、K線上最為突出，非常有利於光學耀斑的觀測。
Hα觀測的耀斑爆發（BBSO，1972-08-07）
X射線耀斑：太陽爆發時X射線通量突然增強的現象，稱為X射線耀斑；波長在0.01~100埃之間。耀斑在極紫外波段有明顯表現，可以用來監測。
質子耀斑：在耀斑發射的粒子事件中，當地球同步軌道探測到的質子能量大於10兆電子伏的通量超過10pfu時，表明這種事件中有很強的質子流，即發生質子事件，與之相對應的源耀斑稱為質子耀斑。在日地空間行星際磁場的引導下，日面東半球發射的質子一般到不了地球附近，因此質子耀斑主要發生在日面西半球。質子耀斑大多為M級及以上級別的耀斑，發生後1小時~2小時內能夠在地球軌道附近觀測到其引發的質子事件。
白光耀斑：白光耀斑是太陽耀斑中極為罕見的一種，由於能在白光範圍內觀測到而得名。太陽耀斑一般通過白光是不能觀測到的，只有通過Hα線和電離鈣的H、K線才能觀測到。但有時在Hα線所看到的亮區中的一些更小的區域，通過白光也能看到突然增亮現象，持續時間大約幾分鐘，這就是白光耀斑。1859年卡林頓首次觀測的太陽耀斑就是白光耀斑。
耀斑能量
耀斑的持續時間在幾分鐘到幾十分鐘內，在這短暫的時間裡卻能釋放出1020～1025焦耳的巨大能量，這大約相當於上百億顆巨型氫彈同時爆炸釋放的能量，或者相當於十萬至百萬次強大火山爆發釋放的能量總和，可見其威力之大。不過對於太陽這個巨大的能源來講，它也不過只佔太陽輻射總能量的萬分之一左右。
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約束耀斑及其成因的新研究
耀斑，從字面上理解，就是閃耀的“小”點，發生於太陽大氣之中。閃耀就是各種電磁輻射的劇烈增強。別看，點“小”，這是相對於太陽而言的。一個這樣的所謂小點，尺度少說也會有幾千上萬公里，所釋放的輻射能量，足以橫掃千軍萬馬，按人頭來分，一次典型的耀斑能量，可以讓地球人人均一枚氫彈。
約束耀斑是屬於X射線輻射耀斑，當這種從太陽表面被輻射出來時，沒有大批物質跟著被拋出太陽。
對於此類耀斑，以往研究多關注為啥“約束”，就是為啥不向外拋射物質。大家知道，拋射物質要有“投擲機”，具備相當的肌肉和力量，要有加速有運動有做功。太陽大氣中的這種巨大的拋射力都是磁場作用於電流的磁力，與地球生活中無處不在的讓電動機轉動的力量是一致的。顯然，在約束耀斑中，這種力量不存在或很弱，或者有但還不夠強大。對應的，就有兩種約束耀斑的產生機理。
一種是相對簡單的磁環和磁環作用的圖景，方向不同的磁環交叉貼近，交叉點如果磁場方向不同的話，就可能會催生巨大的電流，電流燒蝕（專業中稱為磁場重聯）的時候就是磁場能量轉化為粒子能量並引起輻射增強，也就是耀斑爆發的時候。這種圖景下，沒有太大的磁力，也就不太可能將物質拋出太陽。
另一種就是包含磁場纏繞結構（大概就是在多處交錯的好幾個環所纏繞形成的結構）的爆發過程，由於結構比較複雜，電流（就是磁場扭纏的產物）和磁場交織在一起，爆發力也強，但如果太陽大氣背景磁場的致穩的作用力更強，那就白搭了，允許爆發一會，但突不破太陽大氣磁場的“挽留”，稱為“失敗的爆發”。這一類事件是由我國學者季海生研究員最先報道的。
在各類耀斑通用的標準圖景中，有一個關鍵的環節：電流燒蝕導致磁能轉化為高能電子的能量，也就是會加速產生大量高能電子；這些電子像子彈一樣高速擊向高密低溫的低層太陽大氣物質，在那裡高能電子的能量又交給這些“高冷”的物質，讓其變得“高熱”，從而迅速向外蒸發（稱為色球蒸發）。高能電子將能量交出時，產生所謂韌致輻射，一般從軟X射線(<20-30keV)到硬X射線(>20-30keV)波段均有輻射增強；而那些高熱等離子體上湧時，同時產生熱韌致輻射，在軟X射線波段輻射最為顯著。上湧，即色球蒸發過程，是一個相對慢的過程，相對於高能電子的運動而言，是需要花不少時間的。這使得前面介紹的“先硬後軟”的X射線輻射特徵，在X光子的流量計數曲線上就會表現出兩個峰，而且雙峰主要表現在軟X射線所處的能量範圍。
以往的文章觀測報道了一批“先硬後軟”類的雙峰事件，通常被認為是對上述標準圖景中色球蒸發過程存在的觀測依據。
本文所研究的事件，大家都猜到了，就是一例約束耀斑事件，表現出非常明顯的此類X射線輻射雙峰特徵。但我們分析論證，後一峰並非源自色球蒸發過程，而是源自日冕稍高處磁場重聯---電流燒蝕所引起的直接加熱過程。請注意，上面解釋的色球蒸發其實應理解為一種重聯的“間接加熱”，即不是發生在重聯區的加熱。我們的依據主要是：溫度太高了，到了三千萬度了都，通常色球蒸發難以蒸出這麼高的溫度；多個波段分析都表明，對應的高溫能量是直接在日冕稍高處直接釋放的，應該是發生於重聯區的直接加熱過程。這與色球蒸發不是一個概念（因而有新意）。
這例約束耀斑的圖景與“環環”作用圖景完美吻合！強大的NASA衛星成像功能，使得環環作用清楚地展現出來！與雙峰特徵相呼應，環環作用過程也表現出相隨的兩個演化階段，這些都是標準圖景所無法預測的。
當然，最後不得不說，作為成年的科研工作者，當盡力帶隊走向“科研的起點”，而絕不能滿足於、停留在使用NASA衛星等的數據資料開展科研工作！
圖1：這是此次耀斑期間，觀測到的X射線流量隨時間的變化情況。可見，耀斑起始後，X射線輻射增強了幾百上千倍。三條豎直虛線將爆發過程劃分為兩個階段。本文的目的主要就是研究後一階段輻射的產生原因。
圖2：SDO-AIA所拍攝到的耀斑期間環環作用過程。關鍵部位都用箭頭指出了。大家自己感覺一下環環交錯、套緊再重新連接排布的過程。最後的圖是所繪製的卡通示意圖。
圖3：兩個階段中峰值時刻X射線譜擬合的結果。可以看到，此次雙峰事件具有明顯的“先硬後軟”的特徵。
【注】本文選自「科學網」：http://blog.sciencenet.cn/blog-685476-1096566.html
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