太阳耀斑

太阳耀斑（Solar flare）^[1]是发生在太阳大气局部区域的一种最剧烈的爆发现象。这种现象在短时间内释放大量能量，引起局部区域瞬时加热，同时向外发射各种电磁辐射，并伴随粒子辐射突然增强。从地球上看去，就好像是太阳上出现了一块块闪耀的斑点。^[2][6]

太阳耀斑按照能量由弱到强分为A、B、C、M、X五种强度等级，每个等级的内部还可以用从1到9的数字来进一步细分，而数字反映的是不同耀斑能量相差的倍数。^[3][7]太阳Hα耀斑分级可分为S、1、2、3、4五个级别。^[8][5][9]

1859年9月1日，英国天文爱好者卡林顿（Richard Carrington）和天文学家霍奇森（Richard Hodgson）在用望远镜观测太阳时，发现日面上出现两道极其明亮的闪光，这些闪光后来被称为太阳耀斑。^[10]耀斑出现时会有很强的辐射，并且辐射种类很多，除可见光外，还有紫外线、红外线、X射线、伽玛射线和射电辐射，另外，还有冲击波和高能粒子流，甚至还有能量特高的宇宙射线。^[11]太阳表面强磁场区域增多时，这些区域被压缩并互相作用变得不稳定，磁体一旦放松，则会使积累的全部能量倾刻间释放掉，这种能量的释放是太阳耀斑亮度增强的主要原因。^[12][13]

太阳耀斑爆发时，释放的大量高能带电粒子和电磁辐射会对航天器造成辐射损伤，^[14]还会使电离层扰动，让短波无线电信号被部分或全部吸收，导致信号出现衰落或中断，卫星通信也会受到干扰。耀斑产生的等离子云还会导致地球磁场产生地磁暴，并诱生地磁感应电流。这种电流会对电网中的变压器设备造成影响，如1989年3月，因太阳耀斑造成的加拿大“魁北克省大断电事件”。^{[15][16][17][18]}

为了降低太阳耀斑带来的影响，科学家通过不断研究，已经形成了以地面观测系统为主，地面与空间观测相结合的太阳观测网，从而不断提高太阳风暴预报产品制作与服务水平，增强预报预警能力。^[15]

1859年9月1日，英国天文爱好者卡林顿（Richard Carrington）和天文学家霍奇森（Richard Hodgson）在用望远镜观测太阳时，发现日面上出现两道极其明亮的闪光，这些闪光后来就被称为太阳耀斑。^[7]1908年，乔治·埃勒里·海尔(George Ellery Hale)发现了太阳黑子的磁特征。^[19]

1942年，史坦利·海伊(Stanley Hey)和索思沃思（Southworth）均使用电波观测到太阳耀斑，但是受限于第二次世界大战，二人的研究均被保密。^[20]1944 年，格罗特·雷伯 (Grote Reber)在论文中首次报告了在 160 MHz 频率下对太阳的射电天文观测。^[21]1949年，澳大利亚物理学家罗纳德 · 乔瓦内利（Ronald Giovanellii）提出了太阳耀斑产生的磁重联概念，即当磁场线发生重新连接时，会释放大量能量形成耀斑。^[22]

1970年，美国国家航空航天局 (NASA) 的乌呼鲁卫星观测来自宇宙的X射线源。^[23]1995年，欧洲空间局 (ESA) 发射了(SOHO)卫星，它成为了太阳物理学研究的重要工具，通过多个仪器对太阳耀斑进行了全面的观测。^[24]美国国家航空航天局 (NASA) 的(SDO) 卫星继续对太阳耀斑进行观测和研究，为了解太阳耀斑的本质、产生机制以及对地球的影响提供了重要数据。^[25][26]2021年10月12日，广州大学国家天文科学数据中心大湾区分中心的王锋教授、中国科学院云南天文台的邓林华研究员，以及昆明理工大学的冯松教授构建了一个精细化的太阳耀斑预报模型。这一模型的开发提升了太阳耀斑预测的准确性。^[27]2024年10月，“国家空间天气监测预警中心”预计在2024年10月10日至12日三天内，可能发生强地磁活动。其中10日晚间到11日晚间，可能出现大地磁暴，如果没有新的爆发活动出现，12日可能会出现小到中等地磁暴，随后逐渐恢复平静。^[28]

在太阳大气中，特别是在日冕层，磁力线断开并重新连接，这个过程叫做磁重联。^[29]磁重联是两组具有反向分量的磁力线相互靠近并重新连接的物理过程。在这一过程中，磁能转化为等离子体的动能、热能、辐射能等。磁重联可以引发大规模的能量释放，这是太阳耀斑形成的关键过程。磁重联导致磁场能量的快速释放。在磁场线的连接过程中，大区域磁场方向的改变会导致对中间等离子体的加速作用，从而伴随该过程产生同步或回旋辐射，这种辐射能量的释放是太阳耀斑亮度增强的主要原因。^[12]

在磁重联过程中，磁场能量的释放会加速粒子，产生高能粒子束。这些高能粒子在太阳大气中穿行，与物质相互作用，进一步加热等离子体并产生辐射。这些高能粒子也会沿磁力线传播到太阳表面，与太阳表面物质相互作用，产生更多的辐射和能量释放，进一步增强了太阳耀斑的亮度。高能粒子还可能逃逸到太阳外部空间，对地球环境和空间天气产生影响。^[30][31]

根据观测手段的不同，主要分为光学耀斑、X射线耀斑等。通常，可见光范围内的单色光观测的耀斑习惯地称为光学耀斑，X射线波段观测的耀斑称为X射线耀斑，与质子事件相对应的耀斑则称为质子耀斑。^[8]

太阳爆发时光学波段亮度突然增强的现象，称为光学耀斑；波长在3900~7000埃之间。耀斑在氢的Hα线和电离钙的H、K线上最为突出，非常有利于光学耀斑的观测。^[8]

太阳爆发时X射线通量突然增强的现象，称为X射线耀斑；波长在0.01~100埃之间。耀斑在极紫外波段有明显表现，可以用来监测。^[8]

在耀斑发射的粒子事件中，当地球同步轨道探测到的质子能量大于10兆电子伏的通量超过10pfu时，表明这种事件中有很强的质子流，即发生质子事件，与之相对应的源耀斑称为质子耀斑。在日地空间行星际磁场的引导下，日面东半球发射的质子一般到不了地球附近，因此质子耀斑主要发生在日面西半球。质子耀斑大多为M级及以上级别的耀斑，发生后1小时~2小时内能够在地球轨道附近观测到其引发的质子事件。^[8]

白光耀斑是太阳耀斑中极为罕见的一种，由于能在白光范围内观测到而得名。太阳耀斑一般通过白光是不能观测到的，只有通过Hα线和电离钙的H、K线才能观测到。但有时在Hα线所看到的亮区中的一些更小的区域，通过白光也能看到突然增亮现象，持续时间大约几分钟，这就是白光耀斑。1859年卡林顿首次观测的太阳耀斑就是白光耀斑。^[8]

太阳耀斑是太阳表面强烈能量喷发的一种周期性现象，它们释放的能量巨大，相当于数十万甚至上百万次的强火山爆发能量，或是亿级吨TNT当量的氢弹爆炸。耀斑出现时会有很强的辐射，并且辐射种类很多，除可见光外，有紫外线、X射线和伽玛射线，有红外线和射电辐射，还有冲击波和高能粒子流，甚至有能量特高的宇宙射线。^[11]太阳表面强磁场区域增多时，会变得不稳定，并可能导致储存的能量在X射线、紫外线辐射以及高能电子和质子的爆发中迅速释放，因为这些区域被压缩并互相作用。^[13][4][3]

太阳耀斑是太阳剧烈活动的一种表现，它们在极短的时间内能释放出巨大的能量，范围在1029到1032 erg。这种能量的释放通常伴随着粒子加速，包括电子、质子和重粒子。太阳耀斑的发展分为三个阶段：前相、脉冲相和缓变相。前相是耀斑活动初期，耀斑区域开始加热；脉冲相持续时间较短，通常在几分钟到15分钟内，这时软X射线、可见光和分米波射电辐射强度急剧增加；缓变相则是耀斑活动的末期，加热状态逐渐减弱。通过Hα双折射滤光器色球望远镜观测，科学家们根据耀斑辐射的大小将其分为S、1、2、3、4五个级别，B、N、F三个亮度等级，最大最亮的耀斑是4B，最小最暗的耀斑是SF。^[17]

级别A1(10-6太阳半球面积)A2(太阳平方度)A3(106 km2)sA1<100A2<2.06A3<3001100≤A1<2502.06≤A2<5.15300≤A3<7502250≤A1<6005.15≤A2<12.40750≤A3<1 8503600≤A1<1 20012.40≤A2<24.701 850≤A3<3 6504A1≥1 200A2≥24.70A3≥3 650注：A1，A2，A3表示不同面积单位的太阳Hα耀斑面积^[9]

此外，根据软X射线的强度，耀斑还被分为A、B、C、M、X五个等级，每个等级内部再细分为9个小等级。一般而言，C级以下的为小耀斑，M级为中等耀斑，而X级代表大耀斑。^[11]

耀斑强度不同，耀斑X射线的峰值流量也不同，具体见下表：^[5]

X射线耀斑级别X射线的峰值流量(单位:瓦/平方米)A<10-7B10-7 -10-6C10-6 -10-5M10-5 -10-4X>10-4

太阳耀斑的活动呈现显著的周期性变化，大约每11年出现一次。这些耀斑表现为太阳大气中某个局部区域的突然增亮，伴随着电磁辐射和粒子辐射的急剧增加。在太阳活跃期，耀斑的爆发频率显著增加，有时每天都能观测到多次爆发；而在太阳宁静期，平均每周不到一次的爆发频率成为常态。此外，大型耀斑的发生频率远低于小型耀斑，表明耀斑活动存在一定的规模依赖性。在1-8埃软X射线能段，耀斑峰值流量的频数分布遵循接近于谱指数为2的幂律分布。^[32]

当太阳耀斑爆发所喷射的高能带电粒子到达地球附近后，在轨航天器遭受到的高能带电粒子急剧增加。这些高能带电粒子拥有极高的能量，可以轻易穿透航天器外壳，对航天器造成辐射损伤，引发单粒子效应和深层充电等影响。^[14]

辐射损伤会造成航天器材料老化，例如航天器使用的太阳能电池寿命降低，半导体元件性能出现衰退等；单粒子效应会造成控制电路发生逻辑错误，导致航天器失去控制，严重时甚至会导致报废；深层充电经常会导致开关出现异常，它产生的放电脉冲，会损坏微型材料及电子器件，导致航天器失控甚至报废。^[14]

2022年美国太空探索技术公司（SpaceX）在北京时2月4日凌晨2时13分发射升空的49颗星链卫星，就因受到地磁暴的影响，约40颗“星链”卫星无法进入轨道。^[14]

太阳耀斑产生的电离层扰动使短波无线电信号被部分或全部吸收，导致信号出现衰落或中断；使得卫星导航等位精度下降，严重时甚至导致导航接收机失效，无法提供导航信息；使得卫星通信的信噪比下降，误码率上升，通信质量下降，严重时还可能造成卫星通信链路中断。例如在2006年12月13日北京时间10时40分前后，太阳发生一次X3级耀斑的猛烈爆发，对我国的短波无线电信号传播造成严重影响。^[17][33]

太阳耀斑不仅有可能对电力系统本身遭到重创，所有依赖电力的应用系统都将受到影响，进而造成经济损失。太阳耀斑产生的高速等离子体云到达地球的时候，会引起地磁暴。这时地球磁场的剧烈变化会在地球表面诱生地磁感应电流，这种电流会对电网中的变压器设备造成影响，容易引起大型变压器半饱和，导致寿命缩短，极端情况时直接烧毁，电力传输受到严重干扰，输电系统崩溃，最终导致失去电力供应，1989年的太阳耀斑使得加拿大魁北克电网所管辖的区域600万居民停电长达9小时。^[17][16]

太阳耀斑的观测手段主要分为光学观测（白光耀斑）、X射线观测、射电波观测、紫外线观测、伽马射线观测等。白光耀斑是太阳耀斑中极为罕见的一种，由于能在白光范围内观测到而得名。通过白光观测太阳耀斑需要专业的天文望远镜和精确的观测技术。^[34]X射线观测可以揭示太阳耀斑中高温等离子体的性质，以及磁场结构和动力学过程。^[35]射电波观测可以揭示太阳耀斑中磁场的结构和动力学过程，以及太阳风与地球磁场的相互作用。^[36]紫外线观测可以揭示太阳耀斑中高温等离子体的性质和动力学过程。^[37]

1859年9月，卡林顿第一次观测到太阳耀斑爆发后的17.5小时，地磁台站记录到强烈地磁扰动。第二天，世界许多地方（包括中国河北等地）观察到了美丽的极光。^[38]在卡林顿事件发生的时候，观测技术还不够成熟，空间环境扰动监测数据也不够全面。但事后人们从高能粒子数量、极光范围、地磁扰动和造成的危害这几个方面还是可以推断出卡林顿事件是历史最强耀斑爆发。在这次事件发生期间，大于30兆电子伏的质子通量达到1.9×1010个/cm2，是排名第四的1972年高能粒子事件的4倍。^[15]

卡林顿事件发生的时候在北美、南美、欧洲、亚洲等多地看到极光，较低纬度地区如古巴，人们居然能够在极光下读晨报。这次事件还产生了极强的地磁扰动，在太阳耀斑爆发的17.5小时后，Dst指数最大下降到-1760纳特。这次事件的地磁暴强度是1989年3月地磁暴的4倍。卡林顿事件对电报业造成严重损害。意大利的托斯卡纳等广大地区的电报站机器都出现了闪火花现象，甚至电线也被熔化了。并且随着时间推移，波士顿至波特兰的电报线在没有电池的情况下，依靠地磁暴产生的电流持续工作长达两小时之久。^[15]

1989年3月，日面上出现了一个超级活动区，该活动区掀起了一场剧烈的太阳风暴，使地球上发生了一次史上有名的强磁暴，同时也给人类社会带来了一系列灾难。此次事件的危害主要表现为对加拿大魁北克省电力系统的严重破坏，被称为“魁北克省大断电事件”。受太阳耀斑及抛射的等离子体云影响，发生2次强太阳质子事件，共产生100多次电离层突然骚扰，480千米高度处的大气密度增加了4倍，较低纬度地区如北半球的美国佛罗里达州、古巴等地都看到了极光。^[15]

地球强磁暴导致加拿大魁北克省电网主要线路上的一个变压器因感应电流过大而烧毁，整个电网在不到90秒钟就全部瘫痪；地球高轨道高能粒子通量和低轨道大气密度的增加以及地球磁场剧烈变化导致许多卫星也遭受了不同程度的影响。如美国GOES-7卫星损失了一半太阳能电池，致使其寿命缩短了一半；3月17日，日本通讯卫星CS-3B异常，搭载在卫星上的备用命令电路损坏等等。^[15]

现代仪器测量到的最大一次太阳耀斑发生在2003年11月4日，^[39]这次事件造成了日地空间环境巨大扰动。受此影响，美国加州中部上空出现了罕见的极光；约半数卫星出现故障，日本先进地球观测卫星-2（ADEOS-2）完全失效；全球范围内的通讯受到干扰，海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断；全球定位系统精度降低；瑞典5万人的电力供应中断，因正值西方万圣节前后而被命名为“万圣节太阳风暴”。在这次事件中日面上共爆发了57个M级以上的X射线耀斑，包括11个X级的大耀斑；同时伴随有至少15个晕状日冕物质抛射及大量的小日冕物质抛射。其中X28级巨耀斑是自1976年以来观测到的最大耀斑。^[15]

2017年9月3日，一个代号为AR2673的太阳黑子群引发的，5天内已经爆发了10多次太阳大耀斑。其中，9月4日的太阳大耀斑还伴随日冕物质抛射，并直接导致了中等太阳质子事件。^[40]

2022年3月29日，太阳活动出现异常，一天之内爆发了17次太阳耀斑，其中包括11次C级小耀斑和6次M级中等耀斑。这些耀斑伴随着日冕物质抛射（CME），表现出太阳表面的剧烈活动。这些异常的太阳活动被风云三号E星在轨道上清晰记录下来。所有这些耀斑活动都集中在太阳黑子区域12975。^[41]

2022年4月20日，耀斑于当日11点46分开始，一直持续到中午12点03分，曲线才显示出耀斑活动的减弱，屏幕上的亮斑也开始逐渐消散。^[42]同年4月20日，太阳发生了一次强烈的X级耀斑事件，其强度达到了X2.2级。这场大耀斑持续了17分钟，这在耀斑活动中算是相对正常的持续时间。耀斑发生后约8分钟，强烈的电磁辐射波及到了中国地区，导致了中国区域电离层的突然骚扰现象，这种现象严重干扰了无线信号的正常传播，特别是造成了短波无线电信号的显著衰减。^[43]

2022年10月2日16点25分美国东部时间（北京时间2022年10月3日4点25分），美国航天局发布消息称，其太阳动力学天文台在日常监测中捕捉到了一次强烈的太阳辐射爆发事件，并成功记录下了这次X1级太阳耀斑的图像。^[44]

2023年12月15日，北京时间凌晨1时03分，太阳活动区13514产生了一次X2.8级的大耀斑爆发。这是自2017年9月10日发生X8.2级耀斑以来，太阳活动强度最大的一次。这次耀斑活动导致了强烈的无线电信号吸收现象，进而影响了短波无线电通讯和导航系统中低频信号的传输，相关影响持续了大约一小时。^[45]

2024年1月1日，北京时间凌晨05时55分，太阳表面发生了一次强烈的耀斑活动，达到了X5.0级别的强度。当时中国正处于黎明时分，这一时间的地理位置意味着对中国上空的电离层产生的直接影响相对较小。此外，此次太阳耀斑的位置并非直接面向地球，因此预计不会对地球的空间环境造成重大影响。^[46]

2024年5月5日，国家空间天气监测预警中心发布太阳耀斑信息提示：北京时间14时01分，太阳爆发了一个强耀斑（X1.3级）。该事件发生时中国处于白天，耀斑对中国上空电离层产生了影响。预计5月6日、7日、8日，仍有可能爆发M级甚至X级以上耀斑。^[47]5月5日19时54分，太阳爆发了一个强耀斑（X1.2级）。5月6日14时35分，太阳爆发了一个强耀斑（X4.5级）。^[48]2024年5月8日中午12:24，太阳爆发了一个X1.0级X射线耀斑，于13:36结束，达到橙色警报级别。中国科学院空间环境研究预报中心5月8日发布了该次太阳耀斑爆发情况：“5月8日爆发点与5月6日的点13663不同，但是也是日面活跃区。不同的是，这次X级爆发伴随了日冕物质抛射。日冕物质抛射将产生带电粒子，这些粒子将以几百到上千公里每秒的速度向地球抛来，预计在2~3天后到达地球并引发地磁暴。”3日以来太阳上已连续产生6次X级耀斑，之前5次均为活动区13663产生，且没有伴随明显的日冕物质抛射。该次X1.0级耀斑是由活动区13664产生的，面积为630个太阳面积单位。^[49]世界标准时间5月10日至5月11日早上10:56，太阳共产生15个耀斑，其中14个来自AR3664，AR3664宽度约为20万公里，是地球直径的15-16倍。世界标准时间5月11日早上，AR3664引发了一个巨大的X5.8级耀斑，11日中午12:55，AR3664又释放了一个X1.5级耀斑，12日还爆发了一个M8.8级耀斑。北京时间5月11日上午9时，国家空间天气监测预警中心发布了地磁暴红色预警。^[50]

当地时间2024年5月14日，美国国家航空航天局（NASA）太阳动力学观测站观测到，太阳爆发了自2005年以来最强的一个耀斑，强度达到X8.7级。因为耀斑爆发在太阳远离地球的部分，本次太阳耀斑爆发不会对地球产生太大影响。^[51]

2024年6月2日，中国气象局国家空间天气监测预警中心介绍，北京时间6月2日3时39分，太阳活动区13697爆发了一次强度为M7.3级的中等耀斑，并伴随明显的日冕物质抛射活动，喷发类型为全晕喷发。受此影响，预计在6月4日前后可能发生小至中等地磁暴。^[52]

2024年8月，中国气象局国家空间天气监测预警中心发布，北京时间2024年8月9日03时15分左右，太阳活动区13777，爆发X1.3级大耀斑，在耀斑发生后的数十分钟内，大量日冕物质被向外高速抛出，形成日冕物质抛射（CME），受其影响，8月11日至12日可能发生小到中等地磁暴。^[53]

北京时间2024年9月14日23时29分，太阳活动区13825爆发了一次明显的耀斑，其峰值强度为X4.5级，达到大耀斑等级。该耀斑发生的日冕物质抛射（CME）会在9月16至17日影响地球，引发包括地磁暴、高层大气密度升高、电离层暴等一系列空间环境变化，进而对航天、通讯等多个领域造成不同程度的影响。^[54][55]

2024年10月2日9时至3日9时，太阳共爆发了5次M级耀斑，地磁活动平静到微扰，中国南方地区出现电离层闪烁。北京时间10月3日20时18分，太阳活动区13842爆发耀斑活动，峰值强度达到X9.0级，达到大耀斑等级，这是自2019年以来，第25太阳活动周里太阳爆发的最强耀斑。国家空间天气监测预警中心预报，受9月30日和10月1日日冕物质抛射影响，10月4日可能出现中等到大地磁暴，5日可能出现小地磁暴；受可能出现的M级以上耀斑爆发影响，10月4日至6日可能出现电离层骚扰。预计10月5日至7日太阳活动水平中等到高，爆发M级以上耀斑的可能性大，可能出现电离层骚扰。^[56]2024年10月8日08时至10月10日08时，太阳先后发生五次明显爆发活动。其中以10月8日03时12分左右，太阳活动区13842爆发的X2.1级耀斑，以及10月9日09时56分活动区13848爆发的X1.8级耀斑最强，均达到了大耀斑等级。^[28]

太阳耀斑的短期预报技术主要基于空间和地面观测所得的太阳图像和数据。预报方法涵盖经验法、统计法和物理预报法。物理预报法尚在研究中，因为太阳耀斑爆发的物理机制不甚明了，尚未形成成熟的预报物理模型。相对而言，经验预报和统计预报根据已知的统计关系，使用日地物理相关的观测数据，提供预报的物理量如时间变化、发生概率、位置和强度，操作简便且实用。^[57]

随着观测技术的进步，累积的大量数据促使研究者开发新的预报模型，数据挖掘技术在此发挥重要作用。太阳耀斑预报研究聚焦于预报因子、方法和模型三个方面，涵盖了多种特征参数和预报技术，对于人类的空间活动和理解太阳活动都具有极高的价值和科学意义。^[57]

2021年10月12日，一项标志性的交叉学科研究在中国取得重要进展。广州大学国家天文科学数据中心大湾区分中心的王锋教授、中国科学院云南天文台的邓林华研究员，以及昆明理工大学的冯松教授联合开展了这项研究。他们通过深度学习技术，成功构建了一个精细化的太阳耀斑预报模型。这一模型的开发提升了太阳耀斑预测的准确性。^[27]

耀斑是发生在太阳大气局部区域的一种最剧烈的爆发现象，在短时间内释放大量能量，引起局部区域瞬时加热，向外发射各种电磁辐射，并伴随粒子辐射突然增强。耀斑的持续时间在几分钟到几十分钟内，在这短暂的时间里却能释放出1020-1025焦耳的巨大能量，这大约相当于上百亿颗巨型氢弹同时爆炸释放的能量。对于耀斑的警报级别划定，通常以地球同步轨道卫星观测到的太阳X射线流量来表征。^[6]

警报级别指标范围可能的影响和危害红色警报射线流量≥10通信：向阳面大部分地区的短波无线电通信中断1小时-2小时，信号消失；低频导航信号中断1小时-2小时，对向阳面卫星导航产生小的干扰橙色警报10>射线流量≥10通信：短波无线电通信大面积受到影响，向阳面信号损失约1小时，低频无线电导航信号强度衰减约1小时黄色警报10>射线流量≥10通信：向阳面短波信号强度衰减较小，低频导航信号强度短时衰减注：射线流量单位：瓦/米

参考资料：^[6]