耀斑爆發，地球竟然會“自衛”！

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還記得嗎？2017年9月6日，太陽爆發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的高頻無線電通信大范圍失靈，失聯長達1小時。

3月23日，《自然-物理》（Nature Physics）上發表有關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科研團隊充分利用相關觀測“利器”發現，耀斑所產生的電離層效應足以影響包括廣袤磁層在內整個地球空間，而不僅局限于先前認為的高層大氣區域。

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域最劇烈的爆發現象，在短短一二十分鐘內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級耀斑的爆發會給地球空間環境造成顯著影響。2017年9月6日世界時09:10，太陽爆發了一個X2.2級的耀斑；3個小時之后，一個更大的X9.3級耀斑爆發，是第24太陽活動周最強耀斑。

據當時的報道，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：“這一現象與距離地面以上60-1000千米的電離層有關。”當耀斑爆發時，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域外，能否也像太陽風那樣引起磁層區域的擾動呢？最新的這項研究證實，在2017年那次大耀斑爆發時，耀斑所產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) 的結果。（研究團隊供圖）

具體機制是，耀斑發生時，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。

相關專家認為，這一結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”獲得足夠的觀測數據。

據劉晶介紹，研究采用了全球衛星導航系統、歐洲非相干散射雷達網、覆蓋南北極區的超級雙子極光雷達網、電離層衛星和月球軌道衛星等基礎設施。“它們提供了日側太陽風-磁層相互作用、全球磁層-極區電離層大尺度對流，沿磁力線的場向電流和全球電離層電子密度等多參量、多區域觀測。”

同時，這項研究還結合了大型數值模式：高時空分辨率磁層-電離層-熱層理論模型（LTR）數值模擬結果，再現了觀測到的由耀斑觸發的磁層-電離層耦合系統變化，首次揭示了耀斑對磁層的影響。據悉，劉晶參與開發了LTR模式中與電離層、磁層作用過程有關的部分關鍵模塊。

對此，業內專家認為，這一新發現有望改進現有的磁層-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的整個地球空間響應太陽瞬時輻射變化奠定了理論基礎。

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。“例如，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’阻礙其生命出現的機會。”