還記得嗎？2017年9月6日，太陽爆發(fā)了十多年來最大的耀斑。此次耀斑事件導致幾乎整個地球朝向太陽一側(cè)的高頻無線電通信大范圍失靈，失聯(lián)長達1小時。

　　3月23日，《自然-物理》(Nature Physics)上發(fā)表有關(guān)此次太陽耀斑影響地球空間的科學研究成果。該研究中，論文第一和通訊作者、山東大學空間科學研究院劉晶教授帶領(lǐng)科研團隊充分利用相關(guān)觀測“利器”發(fā)現(xiàn)，耀斑所產(chǎn)生的電離層效應足以影響包括廣袤磁層在內(nèi)整個地球空間，而不僅局限于先前認為的高層大氣區(qū)域。

　　太陽耀斑影響整個地球空間的示意圖(研究團隊供圖)

　　電離層受擾動

　　耀斑，是太陽大氣上局部區(qū)域最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，在短短一二十分鐘內(nèi)耀斑可釋放出相當于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。。

　　根據(jù)強度遞增，耀斑分為A、B、C、M、X五個等級，其中M、X級耀斑的爆發(fā)會給地球空間環(huán)境造成顯著影響。2017年9月6日世界時09:10，太陽爆發(fā)了一個X2.2級的耀斑；3個小時之后，一個更大的X9.3級耀斑爆發(fā)，是第24太陽活動周最強耀斑。

　　據(jù)當時的報道，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(fā)類似。

　　無線電通信中斷是此次耀斑給人們帶來的切身感受。劉晶向《中國科學報》介紹：“這一現(xiàn)象與距離地面以上60-1000千米的電離層有關(guān)。”當耀斑爆發(fā)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，并引起突發(fā)電離層擾動，導致高頻無線電波突然衰減甚至消失，影響導航系統(tǒng)的信號傳輸和定位精度等。

　　此外，耀斑還能加熱中性氣體，增加低地球軌道航天器高度上的大氣密度與阻力，使得航天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”

　　對于電離層以外的更高區(qū)域，耀斑能否去“觸碰”？這是空間科學家一直想要了解的問題。

　　劉晶帶領(lǐng)的科研團隊將目光集中在距離地面約1000千米以上的地球磁層。這是一個被太陽風包圍，并受地球磁場與太陽風磁層共同影響和控制、完全電離的區(qū)域。

　　由于太陽風粒子無法橫跨地球磁層而直接進入地球空間，科學家將磁層視為地球抵御太陽風粒子“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(qū)域的磁力線會“連”在一起并相互貫通，導致太陽風中的粒子直接傳輸至地球空間。

　　那么，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(qū)域外，能否也像太陽風那樣引起磁層區(qū)域的擾動呢？最新的這項研究證實，在2017年那次大耀斑爆發(fā)時，耀斑所產(chǎn)生的電離層效應通過電動力學耦合擴展，足以影響包含磁層在內(nèi)的整個地球空間，而不僅局限于先前認為的地球高層大氣區(qū)域。

　　2017年 9月 6日，有無太陽耀斑效應情形下，磁層-電離層-熱層理論模型(LTR)模擬的磁層赤道平面等離子體對流速度(a-c)和極區(qū)電離層電勢分布圖(d-f)。箭頭表示投影到赤道平面上的對流速度的方向和大小。模擬有(a, d)和無(b, e)太陽耀斑效應及其差異(c, f)的結(jié)果。(研究團隊供圖)

　　具體機制是，耀斑發(fā)生時，突然增強的太陽輻射導致電離層電導率迅速增加，增強了“鎧甲”磁層抵御太陽風的能力，而使太陽風“擊穿”磁層進入地球空間變得更加困難，減少太陽風和磁層向地球高空大氣的能量注入。也就是說，耀斑發(fā)生時，地球磁層成為避免受太陽風影響的一個“自我保護”機制。

　　相關(guān)專家認為，這一結(jié)論更新了人們對太陽-磁層-電離層耦合過程的認識。

　　采用多項“利器”

　　該研究中，為深入研究太陽耀斑如何影響地球空間的科學問題，科研團隊采用了多項先進“利器”獲得足夠的觀測數(shù)據(jù)。

　　據(jù)劉晶介紹，研究采用了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)、歐洲非相干散射雷達網(wǎng)、覆蓋南北極區(qū)的超級雙子極光雷達網(wǎng)、電離層衛(wèi)星和月球軌道衛(wèi)星等基礎(chǔ)設(shè)施�！八鼈兲峁┝巳諅�(cè)太陽風-磁層相互作用、全球磁層-極區(qū)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(qū)域觀測�！�

　　同時，這項研究還結(jié)合了大型數(shù)值模式：高時空分辨率磁層-電離層-熱層理論模型(LTR)數(shù)值模擬結(jié)果，再現(xiàn)了觀測到的由耀斑觸發(fā)的磁層-電離層耦合系統(tǒng)變化，首次揭示了耀斑對磁層的影響。據(jù)悉，劉晶參與開發(fā)了LTR模式中與電離層、磁層作用過程有關(guān)的部分關(guān)鍵模塊。

　　對此，業(yè)內(nèi)專家認為，這一新發(fā)現(xiàn)有望改進現(xiàn)有的磁層-電離層耦合模型，即在模型中采用更高時間分辨率的時變太陽輻射光譜，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(nèi)的整個地球空間響應太陽瞬時輻射變化奠定了理論基礎(chǔ)。

　　此外，劉晶指出，這項研究為探索和理解太陽耀斑對其他行星的影響提供新的線索，這將為科學家們研究空間天氣、行星大氣和系外行星宜居性提供參考�！袄�如，研究耀斑對同樣具有磁層的木星、金星和土星等其他行星所產(chǎn)生的影響，可以洞悉此類行星早期的大氣演化，揭秘究竟是怎樣的‘幕后推手’阻礙其生命出現(xiàn)的機會�！�

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01203-5