Nature Physics：太阳耀斑辐射扰动磁层空间
太阳耀斑是一种最剧烈的太阳爆发现象。耀斑在短短一二十分钟内，可释放出几十亿颗百万吨级氢弹爆炸相当的能量，耀斑期间产生的X射线及极紫外辐射等不同波段辐射会出现不同程度的增强，造成电离层各高度的电子密度不同程度增加，从而使各种电离层产生突然扰动现象，影响高频无线电通信质量甚至使通信中断。近来的研究发现：X5级以上强耀斑会加热中性大气，引起热层大气温度升高及密度增加（Le et al., 2012，2015），增加低地球轨道航天器在轨运行的阻力，使得航天器消耗更多燃料以维持既定轨道，从而影响其工作寿命。
图1 2017年9月6日爆发的X9.3级太阳耀斑（图片来源：NASA/GSFC/SDO）
但迄今为止，所有的研究都认为太阳耀斑的影响主要集中在电离层与热层高度，对于更高的磁层几乎不会有任何的影响。磁层位于电离层之上几千至几万公里高度的区域，被太阳风包围着，并受地球磁场和太阳风磁场的共同影响和控制。因太阳风粒子无法穿透地球磁层而直接进入地球空间，故一般将磁层视为地球抵御太阳风粒子“攻击”的屏障或铠甲。但是，当太阳风与地球磁层的磁场方向相反时，源自双方区域的磁力线会发生磁重联过程，即太阳风磁力线与地球磁力线相互连通，导致太阳风中的粒子直接传输至地球空间。那么，以增强辐射为主要特征的耀斑过程，除了直接影响地球电离层区域外，能否也像太阳风那样引起磁层区域的扰动呢？
为破解这一科学问题，山东大学刘晶教授团队针对2017年9月6日发生的X9.3级强耀斑(如图1)，联合多种观测数据开展了系统的分析（Liu et al., 2021)。分析的观测数据包括全球卫星导航系统、欧洲非相干散射雷达网、覆盖南北极区的超级双子极光雷达网、电离层卫星和月球轨道卫星等，将这些数据联合分析，便获得日侧太阳风-磁层相互作用、全球磁层-极区电离层大尺度对流、沿磁力线的场向电流和全球电离层电子密度等多参量（如图2）、多区域的对应参数分布。同时，他们还结合了大型数值模式：高时空分辨率磁层-电离层-热层理论模型（LTR）的数值模拟，再现了观测到的由耀斑触发的磁层-电离层耦合系统的变化，首次揭示了太阳耀斑对磁层的影响。这是国际上首次发现并报道耀斑对磁层的影响。
图2 太阳耀斑对极区场向电流影响的模拟结果。第一列是AMPERE观测的结果，第二列是LTR模拟的结果，第三列是LTR计算的Pedersen积分电导率。第一行是耀斑前的结果，第二行是耀斑峰值的结果，第三行是耀斑前后的差值（Liu et al., 2021）
刘晶等的研究表明，当耀斑发生时，突然增强的太阳辐射通量会引起电离层电导率的迅速增加，从而使太阳风“冲破”地球日侧“铠甲”进入地球空间变得更加困难，减弱了太阳风-磁层-电离层间的能量耦合效率，也减少了太阳风和磁层向地球高空大气注入的能量；此外，相应极区电离层电导率梯度的剧变（如图2所示）会影响到磁层等离子体的对流过程，使之重新分布（如图3所示），减弱了极区电离层电场，并调制极区电离层高能粒子的沉降过程。因此，该研究证实耀斑所产生的电离层效应可通过电动力学耦合扩展并影响到包括广袤磁层在内的整个地球空间区域，而不仅仅局限于先前认为的高层大气与电离层区域，这一研究发现更新了人们对太阳-磁层-电离层耦合过程的全局认识。
图3 2017 年 9 月 6 日有无太阳耀斑效应情形下，磁层-电离层-热层理论模型（LTR）模拟的磁层赤道平面等离子体对流速度 (a-c) 和极区电离层电势分布图 (d-f)。箭头表示投影到赤道平面上的对流速度的方向和大小。(a、d)有太阳耀斑效应的模拟结果；(b、e) 无太阳耀斑效应的模拟结果；(c、f)有无耀斑效应的结果差异（Liu et al., 2021）
该发现有望改进现有的太阳风-磁层-电离层耦合模型，例如在模型中采用更高时间分辨率的时变太阳辐射光谱数据，提升模型诊断地球空间响应太阳瞬时辐射变化的能力，为预测包括磁层在内的整个地球空间响应太阳瞬时辐射变化奠定了理论基础。此外，由于其它类地行星也广泛存在着类似的太阳-磁层-电离层耦合过程，该研究还为探索和理解太阳耀斑对其他行星的影响提供了新的线索。例如，研究耀斑对同样具有磁层的行星（如木星、金星和土星等）所产生的影响，有助于洞悉行星早期的大气演化，揭秘究竟是怎样的“幕后推手”影响其中生命出现的机会！这为科学家们研究行星空间环境与行星大气变迁和系外行星的宜居性研究提供了新的参考。
主要参考文献
Le H, Liu L, Wan W. An analysis ofthermospheric density response to solar flares during 2001–2006[J].Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2012, 117(A3), 117: A03307.
Le H, Ren Z, Liu L, et al. Global thermospheric disturbances inducedby a solar flare: a modeling study[J]. Earth, Planets and Space, 2015, 67(1):1-14.
Liu J, Wang W, Qian L, et al. Solar flareeffects in the Earth’s magnetosphere[J]. Nature Physics,2021:10.1038/s41567-021-01203-5.
（撰稿：乐会军/地星室，刘晶/山东大学）
校对：张腾飞
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