“太阳海啸”，更多谜题尚待解开

本文转自：光明日报

作者：郑瑞生

《光明日报》（ 2023年06月15日 16版）

地球上有海啸，太阳上也会有吗？太阳上没有液态水，也没有海洋，但有类似于地震的剧烈爆发现象，如耀斑和日冕物质抛射。天体物理学家们认为，太阳大气中的剧烈爆发，即耀斑或日冕物质抛射，必定会扰动太阳大气，从而产生类似于地球海啸的太阳大气波动，并将其称为“太阳海啸”。近期，山东大学空间科学研究院教授郑瑞生与国内外合作者在国际学术期刊《天体物理学研究快报》上发表论文，研究了“太阳海啸”的观测特征，并为解决“太阳海啸”的一个未解之谜提供了关键线索。

从“脚印”发现“太阳海啸”

太阳源源不断地为地球提供光和热，是万物生长的能量源泉。太阳看起来是平静温和的，而且亿万年如一日。然而实际上，我们肉眼所见的只是太阳外部大气的最底层，称为光球层，厚度约500千米。光球层上方，是2000千米厚的色球层；色球层再往上，是一个厚度随时间和空间迅速变化的薄层，即“过渡区”；过渡区之上，就是太阳大气的最外层，称为日冕，厚度可达数百万公里。从光球到日冕，大气密度和磁场强度随高度增加迅速降低，而温度则随高度增加迅速升高。

按照波动理论，任何扰动都会在介质中产生波动，例如我们所熟悉的声波和水面波。太阳大气是由磁场主导的等离子体（固体、液体、气体之外的物质第四态）组成，因此，太阳大气中的波动是在等离子体环境下声波与磁场耦合而成的磁声波。那么，太阳大气中的剧烈爆发（耀斑或日冕物质抛射）必定会扰动太阳大气，从而产生类似于地球海啸的太阳大气波动。天体物理学家们将其形象地称为“太阳海啸”。

有意思的是，“太阳海啸”的发现还要归功于其“脚印”的发现。这是怎么回事呢？

20世纪60年代初，美国天文学家盖尔·莫尔顿发现，在一次太阳爆发之后，色球层上出现了从爆发中心向外传播的圆弧形波动，速度高达1000千米每秒，传播距离可达数十万公里。这种“色球海啸”现象被命名为莫尔顿波。

莫尔顿波是色球中产生的波吗？如果是，色球等离子体环境（高密度、低声速等特征）要求速度高达1000千米每秒的莫尔顿波必须是强激波。但是，这种强激波会迅速衰减，无法传播很远的距离，与观测结果相互矛盾。所以，莫尔顿波不可能是源自色球的波动。

针对这个问题，1968年日本天文学家内田裕中提出色球莫尔顿波是日冕中的磁声波在传播过程中向下压缩色球表面而留下的印迹，好比地球大气中爆发引起的冲击波扫过地面或水面而形成的波。他的模型成功预言了“太阳海啸”起源于日冕，并明确指出莫尔顿波只是“太阳海啸”的“脚印”。

证实“太阳海啸”的存在

然而，“太阳海啸”“脚印”发现后的20多年里，一直没有探测到理论预言的日冕中的“太阳海啸”。这主要是因为日冕辐射集中在极紫外（EUV）和软X射线波段，而这些辐射会被地球大气强烈吸收。另外，日冕的可见光辐射是光球可见光辐射的百万分之一，所以人类对日冕的早期观测主要靠日全食或人造日食仪器——日冕仪。这给发现“太阳海啸”带来困难。

观测仪器的进步给研究带来曙光。1995年底，太阳和日球层天文台（SOHO）卫星成功发射后，其上搭载的极紫外成像望远镜（EIT）开始了日冕极紫外波段的高精度观测。随后的1997年5月，第一个真正的“太阳海啸”就被EIT发现了，其表现为从爆发中心向四面八方传播的圆形波前。由于发现所采用的望远镜是EIT，所以“太阳海啸”最初被称为日冕EIT波。另外，因为“太阳海啸”主要表现在EUV波段，就出现了新的名字日冕EUV波。

日冕EIT/EUV波的发现引起了太阳物理界的极大兴趣，同时带来了“太阳海啸”的研究热潮。

科学家们的研究热点集中在“太阳海啸”的物理本质——是否是物理上真正的波动，和触发机制——由什么爆发活动引起的。经过20多年的研究，太阳物理学家们基本一致认为，这些“太阳海啸”与日冕物质抛射等爆发现象有着密切关联，主要由爆发结构外围冕环的横向快速膨胀所激发。

解开“脚印”的罕见之谜

得益于21世纪先后发射的日地关系天文台（STEREO）和太阳动力学天文台（SDO）卫星，截至目前，“太阳海啸”观测事例已有成百上千。然而，自发现以来，色球莫尔顿波事件却只发现数十个，与大量存在的日冕“太阳海啸”在数量上形成鲜明对比。为什么大部分“太阳海啸”在色球上都没留下“脚印”？色球莫尔顿波如此罕见的原因是什么？这是太阳物理学领域的一个未解之谜。

为了揭开色球莫尔顿波罕见之谜，笔者及其合作者查阅了2010年以来的所有日冕EUV波及相应的色球莫尔顿波事件，从中挑选出可被SDO和STEREO两颗卫星双视角同时观测到的事例，寻找可能解决该谜题的蛛丝马迹。

我们对比分析径向和倾斜两类爆发事件中“太阳海啸”的低层大气响应，提出“太阳海啸”成功激发色球莫尔顿波的关键因素很有可能是爆发的高度倾斜位形（倾斜角度应高达约70度）。这个很好理解：径向爆发产生的日冕波前向下压缩太阳表面能力弱，而高度倾斜的爆发能帮助日冕波前更强烈压缩太阳低层大气从而激发色球莫尔顿波。有评论认为，我们的研究为回答色球莫尔顿波罕见之谜提供了关键线索，对全面理解“太阳海啸”的激发机制和立体传播有着重要意义。

虽然，“太阳海啸”不像太阳风暴那样直接影响近地空间环境，但对其研究也有着重大意义。比如，通过分析“太阳海啸”与日冕结构（日珥、冕环等）的相互作用，可以诊断日冕等离子体参数和磁场强度，方法类似于利用地震波来获取地球内部结构。此外，“太阳海啸”可以反映出太阳爆发的触发机制，并能预测随后的太阳风暴会如何影响地球。笔者致力于研究有趣又有价值的“太阳海啸”现象，希望有更多的科研人员参与进来，共同揭示更多的“太阳海啸”之谜！