太陽大氣和太陽活動
正文
太陽表面及向外延伸幾個太陽半徑範圍的大氣層；太陽活動則是太陽大氣中劇烈運動和爆發過程。太陽大氣從裡向外分為光球、色球和日冕 3層。在色球和日冕之間還有一個過渡區。太陽大氣按區域性質，一般可劃分為太陽活動區和寧靜區。太陽活動區是發生各種太陽活動現象的區域，寧靜區中不發生太陽活動現象。太陽大氣中還有一種很特殊的區域，即發射太陽風高速流的冕洞區。不同的太陽大氣區域有不同的典型結構和運動特徵。太陽大氣中電漿的平衡、運動和穩定性幾乎都受到太陽磁場的制約和影響。太陽黑子和寧靜日珥的平衡，太陽耀斑、爆發日珥和日冕瞬變等活動現象，都直接受太陽磁場的支配。太陽是離地球最近的恆星，對地球環境起支配作用。太陽的輻射決定了地球大氣結構，太陽活動區產生的短波增強、高能粒子流和太陽風的變化，使地球磁層、電離層和低層大氣產生各種擾動。同樣，太陽大氣結構及其動力學過程，也影響和決定著日球的結構和變化。
太陽寧靜大氣 太陽大氣中充滿著各種形式的物質運動和波動，還有各種特徵的磁場位形。太陽大氣中的這許多動力學過程都同太陽內部的熱力學過程密切相關。從太陽中心直至四分之一個太陽半徑的區域，存在著激烈的核聚變反應，釋放出大量的熱能，太陽中心溫度高達1.5×107K。在0.25～0.86太陽半徑的區域中，輻射傳熱起主要作用。再往外到太陽表面附近，溫度梯度非常大，熱的電漿從底部升到上部，冷的氣體沉到底部，形成物質和熱的對流,稱為對流層。經過輻射和對流,太陽表面的有效溫度下降到 5770K。太陽內部的熱力學過程，人們難以直接觀測，只能通過觀測太陽大氣中的波動或來自太陽中心的中微子測量去分析它的情況。太陽大氣不僅決定著日球的狀態，也反映其內部的結構。為了便於研究，經常採用太陽寧靜大氣為模型，按太陽大氣的結構層次，觀測每個層次的特徵熱力學過程和狀態參數。
光球 是太陽大氣的最低層，從太陽表面向內延伸，厚度約500公里。光球氣體的數密度約為 1017厘米-3。從光球的底部向外，溫度逐漸降低，到光球頂部時，溫度為4560K。光球的氣體是部分電離的電漿,其電離度只有 10-4。光球以下的太陽光輻射幾乎不能直接傳出來。在光球以上，太陽大氣很稀薄，對可見光幾乎是透明的。我們觀測到的太陽可見光輻射主要來自光球。用可見光觀測太陽時,看到太陽外形基本上是圓的,叫做太陽“圓面”。太陽圓面就是光球可見光輻射源的形態。
地球同太陽的平均距離為149598000公里，稱為1個天文單位距離(A)。通常將地球大氣層外，離太陽1個天文單位處，在垂直於太陽光束方向上，單位面積、單位時間接收到的太陽總輻射能量稱為太陽常數，它的值約為 1.97卡／（厘米2·分）。太陽輻射直接影響到地球環境，因此太陽常數是一個重要的參數，測定太陽常數隨時間變化很重要，但測定它的準確值比較困難。
地面的光學觀測得到大量光球發出的信息。利用太陽光譜可以認證太陽大氣中的元素豐度，分析太陽表面的物質運動形態，推算太陽表面的電磁場位形。從太陽光球的照片上看出,有許多尺度為700～2000公里的亮顆粒，稱為米粒組織。還有尺度更大的超米粒組織。這些米粒組織是太陽對流層中熱的氣團上升到光球的表現。在太陽大氣中還觀測到周期約為5分鐘的振盪，稱為5分鐘振盪。這是由於太陽對流層中的湍流可以激發聲波或磁流體力學波（磁聲波和阿爾文波）,這些周期約為5分鐘的波傳到太陽大氣中就是所觀測到的 5分鐘振盪。此外，還觀測到在光球上的黑子。黑子的形態和變化同太陽耀斑和其他活動現象有關。
光球是承上啟下的區域。太陽對流層的特性在光球表現出來，影響到太陽外層大氣中的過程。太陽外層大氣的觀測比光球的觀測少得多，也困難得多。隨著空間紫外線和X射線波段的太陽觀測,逐漸積累了一些太陽外層大氣的數據。
色球 從光球向外延伸約2000公里的區域。在日食的時候，可以看到太陽邊緣附近有一薄層色彩艷麗的輝光，就是色球。對於 5000埃波長的光，將光深為0.005的位置定義為色球的底部。太陽半徑就是從太陽中心計算到色球的底部。距色球底層向外2000公里就是過渡區的邊界。色球是電漿參數迅速變化的區域。從色球底層到過渡區，太陽大氣的溫度由4560K劇增到105K的量級，數密度由1016厘米-3急降到1010厘米-3。
色球發射的鈣離子譜線和氫的巴耳末線系比較強，在地面用Hα（6563埃）、 CaⅡ的K 線（3934埃）和H線（3968埃）進行太陽單色像觀測，可分析色球的結構。另外，用射電望遠鏡還可以接收色球發出的厘米波信息。觀測表明，色球的結構有明顯的不均勻性，到處都有寬度約1000公里、長達1萬公里的針狀物,很象是從下向上噴射的物質。針狀物上升速度約為20～30公里／秒。用Hα和K線所作的太陽單色光觀測還表明，色球表面呈現網路狀結構。在色球網路中也觀測到上下的振盪，速度約為20～30公里／秒，周期為180秒，它與光球的5分鐘振盪相對應，對向上傳遞能量有重要作用。根據空間紫外觀測，色球的磁場強度約為光球的二分之一。
日冕 色球以上的太陽大氣是高溫的稀薄氣體，延伸到幾個太陽半徑的範圍，稱為日冕。日冕分內冕和外冕，離太陽表面0.3個太陽半徑以外為外冕,以內為內冕。日冕的電漿溫度達106K，密度向外逐漸減小，在距太陽表面兩個太陽半徑處大約為106厘米-3。日冕發射的光比光球的弱得多。當日食過程中月球擋住光球時，可以觀測到日冕。日冕輻射來自 3部分：自由電子散射光球的輻射稱為K冕，它是連續譜,沒有吸收線；日冕中高次電離的離子發射的譜線,組成E冕；行星際塵埃散射光球的光，形成同光球夫琅和費光譜相似，有吸收線的連續譜,即F冕。內冕中K冕占優勢,外冕中F冕占優勢；E冕亮度很弱，其範圍只限於內冕區域。
日食期間，除利用日冕儀觀測日冕外，利用米波段的射電望遠鏡也可接收來自日冕的信息。由於日冕發射的短波輻射受地球大氣層的吸收很嚴重，通常利用氣球、火箭和衛星在高空觀測太陽的短波輻射。特別是“軌道太陽觀測台”(OSO)系列和“天空實驗室”的觀測,得到大量日冕形態的資料。
從日冕照片可以看出，內冕的形狀象軸對稱的橢圓，比較有規則，也有許多精細結構；而外冕，有許多噴射狀或者羽毛狀的結構，形狀不規則。這些形態特徵表明，日冕的結構同那裡的磁場位形密切相關。在日冕中有許多環形和拱形的結構，稱為日冕環或日冕拱，它們是日冕中的基本結構形態。日冕的形態隨太陽活動周的相位變化而變化。
太陽物理和日球物理的許多重大過程都發生在日冕中。太陽耀斑主要發源於日冕，太陽風的加速過程和臨界位置也在日冕中。研究大冕洞的形態需要測量日冕的短波輻射。研究日冕大氣的反常加熱要求分析日冕中的各種波動過程。
太陽活動區 太陽大氣中黑子、光斑、譜斑、日珥和耀斑等常集中於局部區域，稱為太陽活動區。它的典型尺度約為10萬公里。產生活動區的根源在太陽對流層，所以活動區的整個發展同對流層內的過程密切相關。
黑子 活動區的主體。黑子實際上是太陽光球的局部強磁場區，其磁場強度可高達幾千高斯，其內部熱力學溫度比周圍區域要低1000K多，因而較暗,呈現為黑子。一個活動區中的黑子往往成群。當黑子群中所有磁場的極性相同時，構成單極群。大多數黑子群由兩部分組成，它們的極性相反，稱為雙極群，前邊的部分稱為前導黑子，後面的稱為後隨黑子。在每一個太陽活動周內，同一半球出現的雙極黑子群的前導黑子極性相同，而同另一半球前導黑子的極性相反。在活動周前半周中，前導黑子的磁極性都與同半球極區普遍場的極性相同。另外，當活動區中黑子群的極性不規則分布時，稱為多極黑子群。多極黑子群的活動區中容易產生耀斑。
光斑和譜斑 活動區的黑子或黑子群附近有一些形狀不規則的白光亮區，叫做光斑。光斑表面比周圍光球溫度高 1000K左右。這種高溫區域向外延伸到色球的區域叫做譜斑。光斑和譜斑在相應波長的照片上，都比周圍的區域更亮些。
日珥 是突出日面邊緣的一種太陽活動現象，日珥區域的密度和溫度同色球中的值相當。日珥在日面上的投影表現為暗條，典型尺度為 6000公里×40000公里×200000公里。日珥有時寧靜，有時活動，有時爆發，爆發時的運動速度可達1000公里／秒。
太陽耀斑 太陽活動區中最劇烈的活動現象就是太陽耀斑。太陽耀斑是太陽大氣中的一種爆發現象，它在約半小時的時間內從局部區域中釋放出約 1025焦耳的能量。耀斑爆發時，各個波段的電磁輻射強度都迅速增強，並產生大量的電漿拋射和太陽宇宙線。少數大耀斑還可發生核反應過程。恆星大氣中的爆發現象，在天體物理中是經常討論的重要課題。通過研究太陽耀斑可以更好地理解其他天體上的爆發過程。耀斑爆發還將影響行星際環境和地球環境，騷動電離層使地面的短波通信中斷，太陽宇宙線還會威脅空間飛行的安全。所以，研究太陽耀斑過程不僅有很大的理論意義，還有明顯的實用價值。
長期來，人們用色球望遠鏡觀測太陽的Hα 單色像。觀測表明，某些太陽活動區中的局部小區域，其亮度有時會突然增大,在幾分鐘之內達到極大值,然後在幾十分鐘內逐漸恢復。這種現象曾被理解為太陽耀斑。由於Hα譜線的發射主要來自色球，所以又稱“色球耀斑”，或“色球爆發”。但紫外光、 X光和射電等波段的觀測表明，耀斑的起始和主體並不在色球，而是在過渡區和日冕當中，色球耀斑只是一種次級現象。太陽耀斑的爆發同磁場結構密切相關，大量光學觀測資料的統計分析說明，黑子磁場的梯度越大,或者黑子群的極性越複雜,就越容易出現耀斑。太陽耀斑同太陽活動區的特性密切相關。20世紀40年代發展起來的射電天文學也為太陽耀斑過程提供了大量資料。射電的發射頻率依賴於局部電漿的狀態。太陽射電輻射包括寧靜射電、緩變射電和射電爆發。同太陽耀斑相關聯的射電爆發按波段可分為微波射電爆發、米波射電爆發和分米波射電爆發，按其特徵還常常分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型爆發。耀斑開始以後，太陽活動區局部區域中（可能是在日冕環或日冕拱中），熱的和非熱的輻射都很快地增強，然後較慢地恢復。不同波段的輻射反映出整個太陽耀斑現象的不同側面和過程。
某些太陽耀斑會發射大量的高能粒子，主要是質子。在空間進行直接探測以前，由地面宇宙線通量的突然增強可以估計出，太陽發射的質子能量可超過 5×108電子伏。有這種高能質子的耀斑事件稱為太陽宇宙線耀斑。平均每3年有兩次宇宙線耀斑。能量小於108電子伏的太陽質子，可注入地球極區，沉降到極區電離層，使電離層的原子、分子反常地電離，記錄到宇宙噪音吸收，稱為極蓋吸收。極蓋吸收效應最大時，相應的太陽質子能量為 107電子伏的量級。此時地球軌道上出現的質子數目平均比宇宙線耀斑多10倍稱為太陽質子事件，發生這種質子事件的耀斑稱為太陽質子耀斑。當太陽質子能量小於0.3×106電子伏時，在地面就很難探測，只能用衛星來探測。出現太陽質子事件時，往往還可以觀測到相對論性的電子，其能量超過106電子伏。同時,非相對論性電子的通量也突然增加。少數太陽耀斑產生的高能粒子在太陽大氣中可引起核反應，產生中子，發射γ射線。質子耀斑發生時還有大量電漿從日面噴射出來，形成的強激波可以一直傳過地球軌道附近。強激波攜帶的電漿動能，可以占太陽大耀斑釋放能量的一半左右。
活動區的演化 活動區的演化主要是黑子的演化，黑子中的強磁場同周圍電漿的相互作用決定著黑子群的發生和發展，以及耀斑的爆發。
活動區的發生首先表現在超米粒組織的邊緣處出現亮點，以後發展為譜斑。幾天以後，在兩個亮點中分別形成前導黑子和後隨黑子。繼而每個黑子發展成團，前導黑子發展得快些,它在日面的緯度比後隨黑子低些,相應的譜斑也更亮些。活動區出現後的十幾天中，黑子發展迅速,最容易產生太陽耀斑。以後,黑子逐漸衰減，以至消失，留下兩個比色球略亮的大譜斑，在兩個大譜斑之間常出現暗條，過後，這些暗條畸變、碎裂，最後也消失。每個活動區的出現、發展、消亡都不盡相同，其變化特徵還同太陽活動有關。黑子磁場的衰減也同太陽電漿的運動密切相關。活動區的壽命一般為幾天到幾十天，特別長壽的活動區可維持10個太陽自轉周以上的時間。
冕洞 太陽日冕中反常低溫和低密度的區域。從空間觀測的軟X射線照片中看到的暗區域就是冕洞,其輻射流量比正常日冕值低得多。大多數冕洞位於太陽極區，低日緯的冕洞常常同極冕洞聯在一起。但冕洞的形態在其整個壽命期間比較穩定。極區冕洞的面積可達日面的1/10，非極區冕洞的面積只有日面的1～5％。冕洞的壽命平均約為6個太陽周。極冕洞可持續10個月以上,小冕洞壽命僅1個太陽周。
冕洞按特性大致可分為3種：①孤立小冕洞,由赤道附近南北半球兩個活動區的相同磁極性的黑子群合併形成；②極區冕洞，由高緯區域的活動區的單磁極性區域合併到極區而形成；③延伸冕洞，大活動區同極區磁極性相同的那部分單極區域，同極區的單極區域合併，形成的從極區沿緯度方向延伸的貫穿冕洞。
根據大量觀測資料的統計和分析，太陽風的高速流和地磁活動都同冕洞有關係，冕洞是太陽風高速流的源，也是地磁活動27天重現的擾動區。
冕洞的形成和演化同太陽大尺度磁場和太陽電漿運動密切相關。一般認為，冕洞是單極磁場區域，冕洞區域的磁場位形是開放的，沿磁力線可將太陽風加速到較高的速度。太陽風高速流加速耗損較多的能量，冕洞區域的溫度就比較低。在太陽活動極小年前2～3年，冕洞比較多。
太陽大氣對日球的影響 太陽大氣的結構和動力學過程主要由太陽對流層的過程決定，太陽大氣過程又決定了日球的狀態。太陽大氣的不同特徵區域中，太陽風的加速過程不同，在冕洞區域加速太陽風為高速流；活動區的閉磁場可能對應於低速流。太陽耀斑發生時會產生局部的爆發和激波，其他擾動有時還會產生日冕瞬變現象。就太陽磁場來說，太陽大氣的不同特徵區域對應於不同的磁場位形，它們向外延伸形成不同特徵的行星磁場結構。太陽大氣中的不同狀態還激發各種擾動、湍流和波，並傳至行星際空間。大的太陽耀斑還加速出太陽宇宙線。這些太陽風、行星際磁場、宇宙線、波動和湍流等,就決定了行星際電漿的運動狀態。當然,太陽風同恆星際氣體交界處，也受到恆星際空間物理條件的影響。這樣，太陽大氣過程同太陽附近恆星際空間的條件，就決定了行星際空間的過程。因此，也可以通過太陽風和太陽高能粒子來研究太陽大氣過程、行星際空間動力學、太陽風同天體的相互作用以及太陽風同恆星際空間的相互作用。
參考書目
E.G.吉布森編著，林元章等譯：《寧靜太陽》，科學出版社，北京，1981。(E.G.Gibson,The Quiet Sun,National Aeronautics and Space Administration，Washington,1973.)
胡文瑞等：《太陽耀斑》，科學出版社，北京，1983。
