近日，山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队极区电离层-磁层耦合课题组刘晶教授与美国国家大气研究中心王文斌研究员，中科院地质地球所刘立波研究员，美国达特茅斯学院William Lotko教授等所组成的国际团队在著名学术期刊Nature Physics（5年影响因子21.797）发表了关于太阳耀斑的地球空间效应研究的最新成果。论文题为“Solar flare effects in the Earth’s magnetosphere”，山东大学为论文第一和通讯作者单位，刘晶教授为第一和通讯作者。
耀斑是太阳大气上局部区域最剧烈的爆发现象，在短短一、二十分钟内耀斑可释放出相当于几十亿颗百万吨级氢弹爆炸当量的能量，导致几乎全波段电磁辐射如X射线、极紫外线辐射等突然增强。耀斑分A、B、C、M、X五个等级，强度依次递增，其中M、X级耀斑会给地球空间环境造成显著影响。2017年9月6日世界时09:10，太阳爆发产生一例X2.2级的耀斑；3小时之后，有一更为强大的X9.3级耀斑也爆发出来，并成为在第24太阳活动周中、十余年来所观测到的最强耀斑事件。据美国国家海洋和大气管理局空间天气预警中心报道，此次耀斑事件导致地球上朝向太阳一侧区域的高频无线电通信“大范围失灵，失联时间长达一小时”。
据研究，此次无线电通信中断与被称为“悬在天空中的镜子”—电离层有关。电离层是由太阳辐射电离地球高层大气所产生的，位于距地面上方60~1000千米的区域。“镜子”般电离层的存在，使得远距离无线通信成为了可能。当耀斑爆发时，随着太阳辐射强度的迅速增强，大气中的电离过程显著增强，导致其中的电子密度迅速升高，并引起突发电离层扰动。此时，在电离层中传播的高频无线电波会突然衰减甚至中断，直接影响无线电通信尤其是短波通信（包括电视台、电台广播等），也影响导航系统的信号传输和定位精度等。此外，耀斑还能加热中性气体，增加神舟、天宫等低地球轨道航天器的大气密度与阻力，使得航天器需消耗更多燃料维持既定轨道，从而影响其工作寿命。
关于耀斑能否影响电离层以外的区域，据研究，磁层位于电离层上方区域，一般对应于距离地面~1000千米以上完全电离的空间区域。该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。因太阳风粒子无法横跨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“连”在一起并相互贯通，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，一直以来是科学界热门研究的课题。
为破解这一科学问题，山东大学空间科学研究院刘晶教授团队采用了系列观测“利器”，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“利器”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、多区域的对应参数分布。该工作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，首次揭示了耀斑对磁层的影响。据悉，刘晶教授参与开发了LTR模式中与电离层、磁层作用过程有关的部分关键模块。
该研究表明，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会影响到磁层等离子体的对流过程，使之重新分布，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，这更新了人们对太阳-磁层-电离层耦合过程的全局认识。
太阳耀斑影响整个地球空间的示意图
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，有助于洞悉此类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提供了新的参考。
该项研究得到了中科院B类先导专项、国家自然科学基金，国家重大科技基础设施建设专项——子午工程，以及山东大学杰出中青年学者计划的资助与支持。
论文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41567-021-01203-5
相关成果：
Liu, J., Qian, L., Maute, A., Wang, W., Richmond, A. D., Chen, J., Jiuhou Lei, Qinghe Zhang Zanyang Xing (2021). Electrodynamical Coupling of the Geospace System during Solar Flares. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2020JA028569. Doi:10.1029/2020JA028569.
相关报道：
科学网：科学家揭示太阳超级耀斑辐射扰动磁层空间 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/3/454895.shtm
