什么是太阳耀斑和太阳风暴？| 趣味科学

太阳因其中心的热核反应产生的巨大能量而翻腾。日复一日，这些能量使地球宜居。但有时，太阳耀斑会爆发，将高能粒子以最高速度射入太空。如果我们的星球处于辐射路径上，它会给我们的生活带来混乱。

这些辐射爆炸构成了所谓的“太空天气”。它可能像地面天气一样具有破坏性，尽管也许不像新闻头条所警告的那样频繁。

“我们的恒星确实是一个巨大的热核熔炉。在其中心，温度在 1500 万至 1700 万摄氏度之间，大约 6 亿吨氢转化为 5.96 亿吨氦，”美国宇航局日球物理学部项目科学家兼研究“与恒星共生”倡议（研究太阳-地球系统如何影响人类生活和社会）的首席项目科学家 Madhulika Guhathakurta 说道。每秒，这四百万吨的缺失物质都转化为能量——也就是我们看到的阳光。但她解释说，“即使是这种极其脆弱地控制的活动发生微小变化，也可能对地球产生灾难性后果。”

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尽管这种后果罕见，但卫星和依赖电力和无线网络的设备尤其脆弱。1989 年，一次由强大的太阳耀斑引发的地磁风暴在加拿大引发了大范围停电，导致六百万人九小时无电可用。2000 年，一次太阳爆发导致一些卫星短路并引发了无线电中断。2003 年，一系列太阳爆发导致停电并扰乱了航空旅行和卫星系统。2022 年 2 月，一场地磁风暴摧毁了至少 40 颗星链卫星，当时它们刚刚部署，给 SpaceX 造成了超过 5000 万美元的损失。

太阳耀斑和太阳风暴究竟是什么？

总的来说，“太阳风暴”这个词描述的是当来自太阳的强烈能量爆发射入太空并与地球相互作用时。带电粒子以被称为太阳风的方式不断地从太阳流向太空。但更重要的爆发可能源于太阳耀斑，通常来自称为太阳黑子的暂时黑暗斑块，以及称为日冕物质抛射的强烈爆炸。这种活动的任何变化都可能引起极光。

太阳耀斑本质上是闪光。它们发生在太阳表面突出的强大太阳磁场断裂时，以极高的速度释放出巨大的电磁辐射。Guhathakurta 解释说，当辐射撞击地球时，它会将能量注入我们行星的电离层，也就是我们大气层的最上层。她说，来自太阳的极端紫外线辐射会使地球电离层中的粒子极化，这可能对附近任何其他带电粒子产生连锁效应——这意味着任何使用电的东西都处于危险之中。

Solar flare shooting geomagnetic energy into the Earth's atmosphere, an animation. — 太空天气在此动画中影响电离层。NASA/GSFC/CIL/Krystofer Kim

美国宇航局日球物理学部太空天气研究项目负责人 Jesse Woodroffe 说，太阳耀斑以光速传播。这使得它们难以预测和准备。“没有任何方式可以比已经以光速传播的太阳耀斑更快地向地球发送信号，”他指出。“所以你必须预测耀斑本身会发生。这是一个我们尚未攻克的科学难题。”

虽然太阳耀斑是强烈的辐射爆发，但日冕物质抛射是能量粒子的爆炸。因此，它们传播的速度稍慢一些。当太阳外层大气（日冕）的大部分发生爆炸时，就会发生这种情况，将超高温气体喷射到太空。“这些‘巨大的太阳物质团以非常高的速度被抛射出来，每秒数百公里，但比光速慢得多，”Woodroffe 补充道。他说，这些物质到达地球可能需要半天到三天的时间。

如何预测太空天气

太空天气预报不像地面天气预报。最大的区别是：在地球上，气象学家可以进行数百万次测量并将其整合到他们的预测模型中。Woodroffe 说，在太空中，科学家只能将仪器放置在少数几个地方来观测太阳活动。

“我们对太阳和地球之间发生的事情没有一个清晰的画面，”他解释道。“可供我们放置可靠设备并让其静止观测的地方非常少，因为轨道上的卫星会移动。”拉格朗日点是地球和太阳之间罕见的点，这两个天体的引力对卫星的拉力相等，使其保持在原位。Woodroffe 说，美国宇航局已将其“最重要的太空天气监测器”放置在那里，包括与欧洲空间局（ESA）的联合项目。欧空局正在开发另一项名为 Vigil 的任务，计划在本十年末将一艘航天器放置在太阳附近的拉格朗日点。与此同时，美国宇航局的太阳动力学天文台在绕地球轨道运行时研究太阳。

Woodroffe 解释说，科学家们用他们的相机和传感器监测太阳，以了解其表面亮度变化。亮度激增可能只出现几帧——并且只持续几秒钟。