太陽可以說是日地空間環境的主宰，它的一舉一動都會影響著空間環境的變化。太陽上常常會出現太陽耀斑和日冕物質的拋射等劇烈活動，給地球磁層、電離層和中高層大氣，衛星運行和安全，以及人類健康，帶來嚴重影響和危害，以及通訊損壞。人們把這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣。今天我們就來聊聊太陽上的那些事。
磁重聯 magnetic reconnection
在宇宙中，許多能量爆發事件都被認為是磁重聯觸發產生的，從太陽表面的太陽耀斑和日冕物質拋射現象到近地空間天氣現象，例如極光。磁場穩定存在時，磁力線相互平行，不會相互穿越和交叉，但是在某些特殊情況下，磁力線能夠被剪斷，然后重新聯結成一個新的結構。在重新聯結成新結構的過程中，磁力線的爆發性回彈會釋放巨大的能量，從而加速等離子和高能粒子，讓他們在太空中自由馳騁。
行星際磁場 Interplanetarymagnetic field, or IMF
當太陽風以每小時幾百里的速度從太陽源區吹出來的時候，它不僅夾帶著高能粒子，同時也會拖曳著太陽磁場中的磁力線與它一起在太空遨游，這些磁力線彌漫在太陽系就被稱為行星際磁場。當行星際磁場與地磁場存在一定角度的偏斜時，行星際磁場就會與地磁場的磁力線發生磁重聯，從而使得太陽風的粒子和能量直接注入地球內磁層。
太陽耀斑 Solar flare
太陽耀斑是太陽大氣色球層中局部的突然增量現象，由于耀斑的出現會釋放大量的能量，因此也被稱作色球爆發。什么機制觸發了耀斑到目前為止還沒有一個定論，但是它跟太陽磁場的復雜性和磁場聯的關系是顯而易見的。太陽耀斑爆發的能量相當于幾百萬顆氫彈，可以說是太陽上最雄壯的爆發現象了。太陽耀斑釋放的電磁波以光速傳到地球通常只需要8分鐘，地球的衛士-大氣層吸收了這些來自太陽的輻射，從而保護了我們人類。但是，太陽耀斑也會造成地球上電波通訊的中斷，短到幾分鐘，長到幾個小時，它與日冕物質拋射存在某種聯系，仍待我們深入研究。
日冕物質拋射Coronal mass ejection or CME
日冕物質拋射是太陽大氣中的磁化等離子體由日面向行星際空間拋射的太陽物理現象。日冕物質拋射極易和太陽耀斑現象混淆。太陽耀斑與日冕物質拋射最大的區別就在于是否有物質從太陽表面拋射出來。從這一點我們可以很好地分辨這兩個現象。到目前為止，日冕物質拋射形成的機制仍然不是很清楚，但是可以確定的是磁重聯過程是這一現象的重要催化劑。一個巨大的日冕物質拋射可以裹挾著一千萬噸的物質以每小時幾百萬公里的速度在太陽系中傳播，拋射出來的巨大“磁云”可以擴展到三千萬英里的范圍，這個尺度整整是太陽大小的35倍。通常在日冕物質拋射三天后就會抵達地球的大氣層，在地球上刮起一陣強烈的地磁風暴，引發空間天氣效應。
極光Aurora
極光是夜間天空中出現絢麗多姿色彩的一種自然現象。極光現象通常只發生在南北半球的高緯度區域，極光經常出現的區域從天空中看下來呈現橢圓卵形，所以這一區域又被稱為極光橢圓帶。極光的出現是由于來自太陽風的高能粒子沿著磁力線高速撞擊地球大氣層，距離地面60到200英里大氣層中的氧氣和氮氣從而獲得能量。氧離子等高能粒子的能量急需釋放，便由激發態躍遷回基態發出璀璨的光芒，這就形成的大自然的極光之美。
等離子體Plasma
等離子體是由帶電粒子組成的一種物質形態，就像氣體、液體和固體一樣存在于地球上。在地球的磁層、太陽風和太陽大氣中都存在著大量的等離子體，所以我們也常常把日地空間稱為“等離子體的天然實驗室”。等離子體是日地空間中最重要的一種物質存在形式，它與磁場的耦合常常催生出許多重要的物理現象，例如磁重聯現象和磁凍結效應。在一定條件下，我們可以通過觀察粒子的分布規律反演磁場的位形，也可以通過磁場的條件判斷粒子的運動規律。可以說等離子體是空間物理學一個不可分割的重要部分。
磁層頂Magnetopause
磁層頂是作為一種磁層上邊界而存在的。最早這個概念提出來是為了區分太陽風磁場（太陽風等離子體）和地磁場。起初，科學家并沒有認識到太陽風的存在，簡單地認為這個邊界是太陽間歇性的微粒流產生的，并不是一直都有，而僅僅是在太陽活動期間一種間歇性的存在。但是對彗尾的分析表明了太陽風的存在，從而證實了磁層頂存在的永久性。
在最簡單的近似中，磁層頂認為是一個把真空磁場和等離子區域分開的邊界。它由邊界層兩邊的總壓力平衡來準確計算，準確的來說就是磁鞘層的壓強（主要是太陽風動壓）和磁層內壓強（主要是磁壓）的平衡分界面。磁層頂是封閉的，也就是說沒有磁力線的穿越，法向分量為零。磁層頂并不是簡單地薄薄一層，里面存在著許多波動和不穩定性，因此對它更深層次的了解仍需深入研究。
磁尾Magetotail
地球磁尾指的是地球磁層背陽面向后面延伸的區域，通常可以延伸到幾百個地球半徑，這是磁層中一個特別重要的區域。它的發現可就沒有磁層頂那么波折了，早在上個世紀60年代，飛行器就證明了磁尾地存在。磁尾就像是一個等離子體和能量的倉庫，在磁層亞暴的過程中，能量和粒子正是通過磁尾的一系列物理過程，被不斷地注入到內磁層。
磁尾由尾瓣和等離子片組成，等離子體片是一個熱等離子體聚集的區域，正是這個區域將南北兩極磁場不同的兩個尾瓣分開。磁尾的磁力線都是一端連著地球兩極的開放磁力線，具有非常好的性質，可以認為磁力線即是等勢線，這樣我們就可以通過觀測電離層極蓋區參數的變化了解磁尾的相關性質了。
磁暴Geomagnetic storm
磁暴是地磁場較大的擾動現象。磁暴常常發生在來自太陽的巨大能量與地磁系統相互耦合的過程中，例如日冕物質拋射或者高速太陽風傳播到地球附近時。在磁層內部，當磁力線出現反向平行分量時，就會發生磁重聯，磁重聯能夠將粒子和能量注入內磁層，從而影響地磁活動。強磁暴會影響電波通訊信號，造成供電網絡內電流意想不到的激增。磁暴同樣也可以分為初相、主相和恢復相三個時期。初相時期，太陽風的動壓使得磁層頂不斷被壓縮，磁層頂電流加大，地面磁場出現短暫增強現象。一段時間過后，磁場出現下降，下降時還伴隨有強烈擾動，就這是磁暴的主相，在主相期間常常還會發生多次亞暴。此外，磁暴的主相常常伴隨著各種極光和地磁效應。最后在磁暴的恢復相，各項指標恢復到暴前水平。磁暴持續的事件一般比亞暴要長。
磁層亞暴Substorm
磁層亞暴是地磁場的短暫擾動現象，通常持續2~3個小時，由成長相、膨脹相和恢復相組成。當行星際磁場出現南向分量時，行星際磁場會在向陽面磁層頂與地磁場發生重聯，使得太陽風的能量向磁層內部傳輸，部分能量傳輸到了磁層結構的磁尾中，這個過程構成了亞暴的第一相-成長相。在隨后的膨脹相中，儲存在磁尾中的能量將以激烈的方式耗散。這時內磁層的磁力線從尾狀位形變為近似偶極場位形，磁場的偶極化過程中磁尾等離子體片的粒子加速并注入內磁層。這時等離子體片變薄，越尾電流減弱。到了恢復相，磁層又重新回到平靜狀態。一般來說，在磁暴期間，亞暴發生的更加頻繁、劇烈，但是到目前為止，磁暴與亞暴的相互關系仍具有爭議。
來源：中國科學院國家空間科學中心
