编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，推荐科研经历，塑造科学世界。让大家跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

2024年5月，一部有关阿勒泰的电视剧登顶全网收视榜，剧中阿勒泰的美浑然天成，镜头之下，山川、丛林、天空、旷野，无不独具性灵。作为新疆美景的其中一张“明信片”，阿勒泰的星空也独具魔力，接连上演的“极光”盛宴美不胜收。

这是在新疆阿勒泰富蕴县拍摄到的极光

（图片来源：新华社 戴建峰 摄）

戴建峰拍摄于新疆阿勒泰

（图片来源：新华社）

漂亮的星空“烈焰”——极光

极光是地面上可以用肉眼看到的、由太阳风等离子体与地球磁层相互用途产生的一种自然现象。

极光的出现与太阳耀斑有肯定关系，耀斑是太阳大方局部地区忽然增亮的活动现象，太阳本身是一个巨大的“磁球”，耀斑总是出目前磁场结构复杂的活动区，在耀斑活动区，伴随活动区磁能的不断积累，磁力线会发生“扭曲”，这类扭曲的磁力线像拧紧的橡皮筋一样，一旦扭曲的磁力线因为重联发生截断将会在短期内释放出很多的能量。此时在日冕大方的等离子领会被飞速加热和加速，随着有各种波段的增强的电磁辐射和粒子发射，这种强烈的爆发现象，即耀斑。

耀斑爆发过程中常伴有很多的日冕的等离子体被抛入日地空间，称为“日冕物质抛射”。太阳不断地从它的表面向周围的空间喷射物质，在太阳活动周期的高峰期，天天或许会发生2-3次日冕物质抛射(CME)，这类等离子体物质以每秒几百至上千公里的速度运行，面向地球的等离子体将会引发地球磁场大小和方向的扰动，从而产生“地磁暴”与其他极端空间天气事件，极光是地磁暴可视化的表现。

磁暴期间，等离子体与磁层相互用途后注入极区的粒子会大幅度增加，注入地球磁场的纬度范围也会扩大，使得处于地球中高纬度的新疆等地可以看见极光。

太阳耀斑

（图片来源：veer图库）

中国科学院新疆天文台是西北区域唯一的综合性天文台，因极光广泛收到社会关注，最近新疆天文台太阳团组成员也秉持着科学家的责任，很想与大众推荐有关的科普常识。其实，太阳活动是具备大约11年的周期。太阳活动最活跃的时期称为“很大期”，最不活跃的时期称为“极小期”。在很大期，太阳黑子的数目增加，耀斑的发生频率也会增加，相反，在极小期，黑子数目和耀斑发生频率都会降低。

2013-2014年是太阳活动的很大期，预计太阳活动将在2024-2025年迎来第25个很大期，2024年正处很大期的上升阶段，太阳耀斑爆发很频繁，下图是2024年5月产生的几十个极端耀斑事件，引发了地磁暴，并在新疆、北京等地形成了绚丽多彩的极光。耀斑爆发的能级从小到大分成A、B、C、M、X五个等级，等级依次增强。

大多数太阳耀斑的寿命仅在几分钟到几十分钟之间，并在短期内会随着很多能量释放，如XX1级耀斑瞬间释放的能量等于地球上相同接收面积1000多年时间接收到的能量总和。

今年5月部分时间太阳耀斑爆发能量观测结果

（图片来源：空间环境预报）

知己知彼 防患未然

地磁暴会在全球各地引发通信障碍、停电和卫星失效等问题，其中最著名的要数卡林顿事件。1859年9月1日早晨，英国天文喜好者卡林顿在观测太阳黑子时，发现太阳北侧的一个大黑子群内忽然出现了两道极其明亮的白光，在一大群黑子附近正在形成一对明亮的月牙形东西。后经确认，卡林顿看到的这一现象是太阳耀斑爆发的过程，这一事件被叫做卡林顿事件。

在耀斑爆发十七个半小时将来，地磁仪的指针因超强的地磁强度而跳出了刻度范围，几乎同一时间，各地电报局电报机的操作员报告说他们的机器在闪火花，甚至电线也被熔化了，且在这天夜里，天空中五颜六色的北极光一直向南弥漫至古巴和夏威夷等地。

北极光

（图片来源：veer图库）

卡林顿事件是一次超强太阳活动爆发事件。类似的超强事件在历史上曾出现过多次，比如1989年3月的那次太阳风暴过去导致加拿大魁北克省整个配电网问题，而2003年十月30日特大的太阳风暴曾使两颗卫星失灵，导致全世界通信和电网中断。

基于此，科学家们觉得太阳活动爆发的研究一方面是太阳物理基础研究的核心问题，是研究其他恒星和等离子体物理的天然实验室，为将来探究日冕加热问题等提供帮助；其次是可以预报太阳活动，为灾害性空间天气提供有效的提前预警。

太阳表面与太阳耀斑定义图

（图片来源：veer图库）

太阳研究大家有话要说

自20世纪80年代，中国科学院新疆天文台便在南山观测站建成了太阳色球、光球双筒望远镜和太阳射电望远镜等设施，主要拓展太阳耀斑爆发的物理机制研究并提供太阳活动的预报。

南山观测站远景图

（图片来源：中国科学院新疆天文台）

经多年进步，新疆天文台太阳物理研究团组于2018年正式成立，团组成立后聚焦新疆天文台科研中心工作，以抢占科技制高点为目的，获得了一系列研究成就：

一是在太阳活动爆发磁能释放过程中研究了耀斑环和日冕磁环的动力学演化(Shen ApJ,2014)，初次揭示了耀斑早期磁流绳形成的过程(Shen,ApJ,2017），初次报道了耀斑早期磁流绳电流的注入驱动了耀斑的爆发(Shen,RAA,2022,2023)，运用高分辨率的观测，报道浮现活动区米粒浮现过程的偶极场离别运动和拱形暗条系的形成，揭示了小尺度磁流浮现的由来(Shen,ApJ,2022)，在日冕加热问题的研究中直接观测到太阳光球磁声波振荡致使的日冕加热(Hashim，RAA,2021，ApJ 2024)。

二是在太阳射电爆发及辐射机制研究方面，提出了射电V型和运动IV型爆发可能的辐射模型(Tang,ApJ,2016,2020)，太阳射电精细结构的研究(Tang,RAA,2021,Wan AA,2021)。

三是在激波粒子加速方面，模拟研究双激波追赶效应，模拟研究CME激波与地球弓激波“迎面”碰撞，发现了合并的粒子能谱出现“折断”特点(Wang,ApJ,2017)，发现了粒子注入率与加速效率成正有关关系(Wang,ApJ,2019)。

磁流绳形成的证据

（图片来源：作者提供 Shen et al, ApJ,2017）

耀斑前兆非热电子加速的证据

（图片来源Shen et al, RAA,2022）

作为“十四五”重点培育方向，新疆天文台太阳物理“太阳活动爆发与空间天气研究”通过揭示不同尺度太阳活动爆发的动力学演化、耀斑磁能积累和释放、日冕加热等做出系列研究工作。大家的研究成就一方面可以解决太阳物理基础研究的核心问题，其次可以准确预报太阳活动的爆发，为灾害性空间天气提供靠谱的预警信息。

日冕加热通道的研究证据

（图片来源：Haxim et al. ApJ, 2024作者提供）

虽比高飞雁，犹未及青云。新疆天文台太阳物理研究团组处在黄金年代，在不久的以后，一是要争取在低频段建设超高时间和频谱分辨率的射电望远镜，或对现有观测设施进行必要的升级改造，以满足更高水平的太阳观测；二是争取更多的小型太阳望远镜可以落实落地，支撑国内太阳物理实测研究的飞速发展；三是借助国际国内大口径望远镜，对不同尺度太阳爆发活动的物理机制拓展研究，为空间天气预报做到准时预警。

将来的路需要交给时间去验证，新疆天文台太阳物理团组成员将紧抓当下、布局将来，用无悔的青春铺就通往美好明天的科学的道路。

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