你看极光时，我们在看太阳丨科技前线

编者按：

近期极光和地磁暴频繁登上热搜，你关注了吗？极光是地磁暴的“副产品”。能在我国北方看到极光，意味着地磁暴活动已经非常剧烈。

地磁暴，是由太阳表面活动引起的地球磁场全球性剧烈扰动现象。目前，太阳正在迎来有相关记录以来的第25个太阳活动峰年。为了探索太阳活动的奥秘，中国科学院的科研人员近期开展了“天地一体化”联合观测。今天我们邀请中国科学院紫金山天文台，从“天”的角度来聊聊这次观测情况。

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第25个太阳活动峰年来啦！

在著名科幻小说《三体》中，三体人被“三个太阳”导致的无常气候折磨得够呛，以至于集体移民入侵地球。相比之下，我们拥有的这个太阳，简直就是“情绪稳定”的小天使，但它也是有“情绪波动”的时候。

天文学家早已发现，太阳活动有着大约11年的周期。在一个周期内，太阳的活动会经历两个极端：太阳极小期和太阳极大期。在太阳极小期，太阳的活动相对较低，太阳黑子（太阳表面上的暗斑）的数量减少，太阳辐射也相对较弱；而在太阳极大期，太阳的活动会增加，太阳黑子的数量增多，太阳辐射也变得更加强烈。

2020年科学家们确认，太阳活动的第24个周期已于2019年12月结束，并进入有相关记录以来的第25个太阳活动周期。

进入2024年，太阳活动变得更加频繁和“暴躁”。5月3日至14日，太阳活动区AR3663、AR3664已经连续产生了16个X级大耀斑，其中最大级别达到了X8.7级。也就是说，在这短短10多天内，X级大耀斑数已超过了2023年全年X级耀斑数的总和！标志着第25周太阳活动峰年的到来。

▲图1：5月3日至14日GOES软X射线观测，水平虚线表示耀斑的软X射线强度达到X级。

其中，5月8日至9日的多个全晕日冕物质抛射（下文简称CME）直接导致了近20年来的最大地磁暴现象，并为地球上的我们带来了极致绚烂的极光盛宴。

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太阳极端爆发为何能存储

和释放大量的能量？

答案是：磁场。

太阳爆发的物理本质是不同规模的磁场能量存储和释放的过程。在对流层的磁流浮现、光球流场（如剪切和旋转运动）长时间作用下，日冕磁能不断积累，日冕磁场持续缓慢受压达到临界状态时，就会因无法保持平衡而产生爆发活动。

▲ 图2：2024年5月1日至14日，夸父一号上的WST白光（左上）、SDI紫外Lyα（左下）以及羲和号Hα（右上）和SUTRI 46.5 nm波段（右下）全日面观测。从白光上可看到太阳南半球的活动区AR3664面积正在快速扩大，爆发现象频发。图片展示了活动区AR3664经过十来天的磁场演化的多波段动画，可以看出该活动区已经拥有了极高的复杂性。

▲ 图3：活动区AR3664和卡林顿黑子图比较（左，spaceweather.com）及地球大小比较示意图（右，夸父一号WST白光图像），由此可见，活动区AR3664与卡林顿黑子事件形态比较，两者的复杂度非常相似。AR3664是近十年面积最大的活动区，其面积达2400个太阳面积单位，宽度可达15个地球之大。

▲图4：2024年5月活动区AR3664磁场观测。上：5月5日-7日夸父一号FMG纵向磁场演化 。下：5月9日X2.3耀斑发生前，北京怀柔多通道太阳磁场望远镜（SMFT）矢量磁场观测图像。

▲ 图5：2024年5月一米新真空太阳望远镜（NVST）观测的活动区AR3664光球动态演化

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太阳释放的大量能量去了哪里？

极大规模的磁能释放可导致极强辐射的耀斑和极高速度的全晕日冕物质抛射（CME）。这些积蓄的磁自由能将转换成各种形式的能量，并可作用于粒子加速、等离子体加热、辐射和质量运动等。这些能量在转化和耗散的过程中会在太阳大气不同层次呈现出各种活动现象。

▲ 图6：2024年5月9日活动区AR3664 X2.3级耀斑多层次多波段观测。从下至上分别为夸父一号WST白光波段、羲和号Hα波段、夸父一号SDI Lyα波段以及SUTRI 46.5 nm的极紫外波段的观测结果。

▲图7：2024年5月9日活动区AR3664 X2.3级耀斑夸父一号HXI硬X射线观测结果。上图为硬X射线不同能量区间成像，背景为SDO/AIA 1700埃和171埃波段图像。下图为硬X射线动态能谱图。

▲ 图8： X级耀斑的中红外成像和射电频谱观测。 左为 AIMS 8-10 μm中红外连续谱成像。 右上为 槎山射电观测站（CSO）射电频谱观测。 右下为 明安图射电频谱日像仪（MUSER）射电频谱观测。

▲图9：2024年5月9日-11日不同X级耀斑观测，耀斑级别从左到右分别为X1.1, X4.0, X5.8。上图为夸父一号WST白光耀斑观测。下图为夸父一号SDI Lyα耀斑观测。

而向外抛射的CME可携带大量的等离子体和磁结构袭击我们的地磁层，CME的南向磁场与地球磁场相互作用，会导致强烈的地磁扰动。让人惊叹的极光就是两者磁场相互作用后的艺术佳作。

▲ 图10：2024年5月9日-11日多个X级耀斑相关的晕状CME观测。图像来自夸父一号白光日冕仪

中国科学院先导B“极端太阳活动的储能与释能物理机制”专项旨在以第25周太阳峰年为契机，发挥我国天地一体化观测设备优势，对极端太阳爆发活动的物理机制开展研究，推动我国太阳物理学科发展，抢占未来科学技术制高点。

此次太阳天地一体化联合观测参与单位有中国科学院紫金山天文台、国家空间科学中心、云南天文台、国家天文台、南京大学、北京大学以及山东大学等。位于国家空间科学中心的中国科学院空间环境预报中心负责提供联测X级耀斑预报信息，该预报中心同时也是国际空间环境服务组织中国区域警报中心的运行机构。

参与联测的空间设备有“夸父一号”、“羲和号”、“46.5nm极紫外太阳成像仪（SUTRI）”，地基设备有一米新真空太阳望远镜（NVST）、用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统（AIMS）、明安图射电频谱日像仪（MUSER）、怀柔多通道太阳磁场望远镜（SMFT）以及槎山太阳射电观测站（CSO）等。

专项天地联测团队将继续开展相关的太阳极端爆发活动的联合观测，为专项的观测及研究提供支持。此次联测也得到了国家重点研发计划“太阳爆发活动的机理及相关性研究”和“第25太阳周重大爆发活动与空间天气研究”的支持。

来源：中国科学院紫金山天文台

责任编辑：曹旸