太空天气

2020年2月，美国国家航空航天局（NASA）的太阳动力学观测台（Solar Dynamics Observatory，SDO）迎来了在太空的第10年。在过去十年间，这艘航天器一直在对太阳进行观测，研究如太阳活动是如何产生以及太阳是如何驱动空间天气的。空间天气是一个动态的系统，会影响整个太阳系，包括地球。 自2010年2月11日发射升空以来，SDO已经收集了数百万张太阳的科学图像，使科学家们对其运转有了新的见解。SDO对太阳的测量 – 从太阳内部结构到大气、磁场以及能量输出 – 都非常有助于增进我们对它的了解。SDO的图像也变得具有标志性 – 如果你曾经看到过太阳活动的特写，则很可能就是SDO所拍摄的图像。 SDO在太空中的漫长职业生涯使它得以见证了几乎一整个太阳周期 – 为期11年的太阳活动周期。以下是SDO多年来取得的一些突出成就： 1)太阳耀斑 SDO已经观测到无数惊人的耀斑 – 太阳表面等离子体的剧烈爆发 – 其中许多已经成为太阳剧烈活动的标志性图像。最初的一年半中，SDO观测到近200次太阳耀斑，使科学家们发现了“后期耀斑”（late phase flare）模式。他们发现其中约15%在最初的耀斑发生几分钟到几小时后产生“后期耀斑”。通过这项研究，科学家们对太阳爆发时产生了多少能量有了更好的了解。 2）太阳龙卷风 2012年2月，SDO拍摄到了太阳表面奇怪的等离子体龙卷风的图像。后来的观测发现，这些等离子体龙卷风的旋涡状结构由太阳表面的磁场形成，能够以高达每小时18.6万英里的时速在太阳表面上肆虐。相比之下，地球龙卷风的时速通常只能达到最高每小时300英里。 [rml_read_more] 这段视频是由NASA的SDO航天器拍摄的图像拼接而成，显示了30个小时期间的潜在等离子体龙卷风。 版权：: NASA戈达德太空飞行中心 3）大尺度日冕波（又称EIT波） 太阳表面汹涌的等离子体海洋能够产生巨大的波浪，以高达每小时300万英里的速度在太阳表面移动。太阳和太阳风层探测器（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）首次发现了这些波，并以SOHO搭载的极紫外成像望远镜（Extreme-ultraviolet Imaging Telescope，EIT）将其命名为EIT波。2010年，SDO对EIT波进行了高分辨率成像。这些观测首次显示了EIT波是如何在太阳表面上移动的。科学家们推测这些波是由日冕物质抛射引起的，日冕物质抛射将太阳表面的等离子云抛射出太阳并进入太阳系。 4）彗星 这些年来，SDO观测到两颗掠日彗星。2011年12月，科学家们目睹了洛夫乔伊彗星（Comet Lovejoy）在距离太阳表面51.6万英里的高空成功地经受住了高温炙烤。而2013年的伊森彗星（Comet ISON）则没能幸免。通过诸如此类的观测，SDO为科学家们提供了有关太阳与彗星相互作用的新信息。 如上所示，洛夫乔伊彗星经过一个小时飞行，达到与太阳最近的距离后，从太阳的右侧飞走。通过追踪彗星如何与太阳的大气、日冕相互作用，以及来自彗尾的物质如何沿着太阳的磁场线移动，科学家们希望能对日冕有更多的了解。该视频由SDO在波长171埃的极紫外波段拍摄，通常以黄色显示。 版权：NASA / SDO 5）全球环流 由于没有固体表面，整个太阳由于试图逃逸的强烈热量和太阳的旋转而不断流动。在太阳中纬度地区，存在一种被称为“Meridonial circulation”的大规模环流模式。SDO的观测结果显示，这些环流比科学家们最初认为的要复杂得多，而且与太阳黑子的产生有关。这些环流模式或许还可以解释为什么有时候太阳黑子在太阳的一个半球比另一个半球聚集得更多。 6）预测未来 日冕物质抛射（coronal mass ejections，CMEs）和太阳风（solar wind）疾驶通过太阳系。当它们与地球的磁场相互作用时，会驱动空间天气，这可能会对航天器和宇航员造成危险。利用来自SDO的数据，NASA的科学家们对CME在穿越太阳系时的路径进行了建模，以预测它对地球的潜在影响。太阳观测的长基线也帮助科学家形成了更多的机器学习模型（machine-learning models），旨在预测太阳何时可能发生CME事件。 7）日冕暗化 太阳稀薄超高温的外层大气（日冕）有时会变暗。研究日冕暗化（coronal dimming）现象的科学家发现，日冕暗化与CMEs有关。CMEs是导致严重空间天气事件的主要原因，这些极端天气事件会破坏卫星并对宇航员造成伤害。通过对SDO观测到的大量事件进行统计分析，科学家们得以计算出对地日冕物质抛射（Earth-directed CMEs）的质量和速度，这是CMEs中最危险的类型。通过将日冕暗化与CMEs的规模联系起来，科学家们希望能够研究其他恒星周围的空间天气效应，因为这些恒星距离地球太远，无法直接测量它们的CMEs。 8）太阳周期的起始 经过10年的观测，SDO现在已经观测到将近完整的一个为期11年的太阳周期。SDO的观测始于第24个太阳活动周期的初期，它观测到太阳活动逐渐增强达到太阳活动极大期（solar maximum），然后逐渐减弱进入目前所处的太阳活动极小期（solar minimum）。这些多年观测帮助科学家们了解一个太阳周期结束和下一个太阳周开始的信号。 9）极区冕洞 有时，太阳的表面会出现大片暗黑区域，被称为冕洞（coronal holes），冕洞在极紫外SDO图像显得较暗。冕洞的出现与太阳磁场有关，遵循太阳周期，在太阳活动极大期增加。在太阳的顶部和底部形成的冕洞，被称为极区冕洞（polar coronal holes）。SDO科学家们能够利用极区冕洞的消失来确定太阳磁极何时反转 – 这是太阳何时达到太阳活动极大期的关键标志。 这幅图由NASA的SDO于2015年3月16日拍摄，其中显示了两片暗色区域，即冕洞。位于下方的极区冕洞是几十年来观测到的最大的冕洞之一。 版权：NASA / SDO 10）新型磁爆炸 2019年12月，SDO的观测令科学家们发现了一种全新类型的磁爆（magnetic explosion），称作自发磁重联（spontaneous magnetic reconnection，与之前所观测到的更为普遍的磁重联形式相对），帮助证实了一个已有几十年历史的理论。同时，或许还能帮助科学家们理解为什么太阳大气如此炎热，更好地预测空间天气，并引领受控核聚变和实验室等离子体实验领域的突破。 NASA的SDO所拍摄的图中首次显示了由太阳日珥引起的强制磁重连（Forced magnetic reconnection）现象。这幅图显示的是于2012年5月3日所拍摄的太阳，其中的插图显示了由SDO的大气成像仪（Atmospheric Imaging Assembly）拍摄到的磁重连现象的特写，其中标志性的X形特征清晰可见。 版权：NASA / SDO /Abhishek Srivastava/ 印度理工学院瓦拉纳西分校（IIT，BHU） SDO上搭载的所有仪器仍处于良好状态，在未来10年仍有可能可以继续发挥作用。 NASA的SDO每12秒捕获10种不同波长的太阳图像，这提供了前所未有的清晰图像，了解太阳上的大爆炸是如何演化和爆发的。图像也很迷人，使人可以透过太阳的大气层，即日冕，观看持续不断的太阳物质“芭蕾舞”。今年是SDO发射十周年，也是其观测太阳第十年的开始。 版权：NASA戈达德太空飞行中心 SDO将在其第10年迎来ESA和NASA联合进行的新任务 – 太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）任务。通过倾斜轨道，太阳轨道飞行器将可以瞥见SDO观测有限的极地地区。太阳轨道飞行器还搭载了辅助性设备，以使两项任务能够共同创建太阳的可见表面以下的内部结构的3D图像，使科学家对未来几年的太阳活动有更深入的了解。 来源：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/ten-things-we-ve-learned-about-the-sun-from-nasa-s-sdo-this-decade