在太陽活動較為強(qiáng)烈的年份，如果用佩戴巴德膜的望遠(yuǎn)鏡指向太陽（千萬不能用望遠(yuǎn)鏡或肉眼直視太陽），你會發(fā)現(xiàn)太陽的“皮膚”質(zhì)量并不太好：在光亮的太陽表面上，往往會成群結(jié)隊地出現(xiàn)一些黑斑。對的，這就是你所熟知的“太陽黑子”。不過，對于對太陽皮膚病研究頗有心得的?？漆t(yī)生，太陽物理學(xué)家們更加關(guān)注太陽之上的另一類黑色結(jié)構(gòu)。它就是今天我們談?wù)摰闹黝}：太陽暗條 (Solar Filament)。

有人可能要問了，我拿戴巴德膜的望遠(yuǎn)鏡觀察太陽多年，為什么只看到了黑子，沒有看到你說的“太陽暗條”呢？其實你如果足夠關(guān)注日面的邊緣部分，你應(yīng)該能夠看到太陽暗條的另一面：沒錯，我說的就是耳熟能詳?shù)摹叭甄怼?。日珥，是太陽暗條隨太陽自轉(zhuǎn)移動到日面邊緣的時候，在背景宇宙中顯示出的明亮突起結(jié)構(gòu)。而至于為什么太陽暗條在日面上顯示為暗色吸收條紋，而在日面邊緣又變成了明亮的日珥，這就需要了解太陽暗條的物理本質(zhì)了。

我們知道，太陽表面和大氣中充滿了錯綜復(fù)雜的磁場。太陽暗條，就是由太陽磁場的支撐、束縛作用的平衡下，存在于日冕中的較冷、較密的太陽物質(zhì)體系。這里的冷和密，是相對于周圍的日冕而言的。而至于為什么太陽暗條會又冷又密，這就需要進(jìn)一步的物理解釋了。

仔細(xì)分析暗條的物理結(jié)構(gòu)，我們會發(fā)現(xiàn)它往往處于閉合的磁感線上。所謂閉合磁感線，就是指從太陽的一個區(qū)域鉆出太陽表面，又在相鄰區(qū)域遁入太陽表面以下的磁場結(jié)構(gòu)。對于太陽物質(zhì)這樣高度電離的等離子體來說，磁凍結(jié)效應(yīng)限制了等離子體橫跨磁感線的運動，因此在太陽大氣中，一根磁感線上的等離子體，往往只能呆在這一根磁感線上，沿磁感線做縱向運動。閉合的磁感線，它們生成后，沿磁感線的物質(zhì)必然直接來自于太陽表面。我們知道，太陽表面的溫度比日冕要低許多，所以如果沒有各種加熱機(jī)制，閉合磁感線上的物質(zhì)和太陽表面溫度就會比較相近，因而比周圍日冕的溫度低很多。流體力學(xué)告訴我們，穩(wěn)定流體內(nèi)部各處的壓力要平衡，在磁場相同的情況下，由于等離子體熱壓力的表達(dá)式k*(粒子密度)*(溫度)，要想壓力與周圍高溫日冕環(huán)境保持一致，就必須擁有較高的密度。這就是暗條又冷又密的原因。但由于日冕處于太陽大氣高層，其壓力比日面上要低，因此暗條密度和溫度的乘積一般不會高于太陽表面。

解釋了暗條為何又冷又密，我們就可以解釋暗條的觀測性質(zhì)了。因為它冷，所以對太陽表面發(fā)出的各種譜線有吸收作用，在觀測這些譜線時，暗條便會在日面上顯示出暗色條紋。這也解釋了為什么我們平常用普通望遠(yuǎn)鏡來觀測太陽時見不到太陽表面的暗條：因為我們觀測的是連續(xù)譜，而非具體的譜線，所以暗條的吸收效應(yīng)非常微弱，淹沒在了連續(xù)譜的汪洋大海中。而由于暗條物質(zhì)比日冕密，它的黑體輻射能力比日冕要強(qiáng)，因此在轉(zhuǎn)到太陽邊緣時，我們能夠看到它發(fā)出的微弱連續(xù)譜，也就是所謂的“日珥”。因為這種現(xiàn)象，暗條也被人們形象地稱為太陽的“耳環(huán)”。

現(xiàn)在我們知道，暗條的特性是由其背后的磁場主宰的，因此，弄清楚支撐暗條的磁場結(jié)構(gòu)就變得十分重要。由于日冕磁場直接測量的困難性，我們很難直接知曉暗條周圍的磁場結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的主流方法是根據(jù)太陽光球表面的磁場，通過進(jìn)行一些假設(shè)（主要是無力場假設(shè)），來外推日冕中的磁場。但是由于外推精度和理論的限制，我們暫時還無法準(zhǔn)確知曉暗條周圍的磁場結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在對于暗條磁場結(jié)構(gòu)有兩種主流觀點：一個是剪切磁拱模型，一個是磁通量繩模型。而對于暗條磁場結(jié)構(gòu)的形成，有人認(rèn)為是磁通量繩直接從日面下抬升形成，有人認(rèn)為是剪切磁拱在日冕中通過磁重聯(lián)不斷改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終形成磁通量繩的過程。相對應(yīng)地，對暗條物質(zhì)的來源也有兩種理解：第一種是認(rèn)為暗條物質(zhì)是隨著磁通量繩的抬升一起上升，并凝聚在磁通量繩的磁場溝中；另一種則認(rèn)為暗條物質(zhì)是剪切磁拱或磁通量繩生成后，由磁場足點處的太陽表面物質(zhì)“蒸發(fā)”，并在磁場結(jié)構(gòu)中部凝聚形成的。對于太陽暗條磁場結(jié)構(gòu)的研究，目前還屬于太陽物理研究的一個前沿?zé)狳c問題。

暗條的磁場結(jié)構(gòu)決定了暗條對人類影響最大的一個性質(zhì)：暗條具有爆發(fā)的潛力。無論是剪切磁拱還是磁通量繩，在磁場結(jié)構(gòu)中都蘊藏著巨大的磁自由能。這些自由能由太陽表面的流體運動的動能轉(zhuǎn)化而來：由于磁凍結(jié)效應(yīng)，磁感線隨著等離子體運動，逐漸將能量積聚在磁場結(jié)構(gòu)中。這些自由能不會永遠(yuǎn)儲存在磁場結(jié)構(gòu)中，一旦條件允許，它就會急劇地釋放出來，伴隨著暗條的劇烈爆發(fā)。

暗條不會無緣無故地爆發(fā)，那么，暗條爆發(fā)的觸發(fā)條件有哪些呢？目前，科學(xué)家們提出了各種模型來解釋。這些模型大概可以分為兩類，一類是以理想磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性為觸發(fā)條件，簡單來說，就是忽略了等離子體的電阻效應(yīng)，把它作為理想磁流體來處理。這一理論又可以分為扭纏不穩(wěn)定性和梯度不穩(wěn)定性，這兩種不穩(wěn)定性都在說一件事情，那就是磁通量繩向上的磁張力大于了包圍著磁繩的背景磁場的束縛力，并且在磁繩上升后，這一不等關(guān)系仍然成立，甚至加劇。這樣，磁繩就可以攜帶著位于其凹陷處的暗條物質(zhì)加速上升，將暗條物質(zhì)拋出太陽大氣，拋向行星際空間。另外一類理論是基于非理想磁流體力學(xué)的，以磁重聯(lián)現(xiàn)象為核心的理論。它們主張，當(dāng)存儲磁自由能的磁場結(jié)構(gòu)自身內(nèi)部或者與周圍磁結(jié)構(gòu)發(fā)生重聯(lián)后，磁場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能會觸發(fā)磁場結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和暗條的爆發(fā)。目前，這些理論之間的學(xué)術(shù)爭鋒，仍在繼續(xù)。

其實，在很多暗條爆發(fā)事件中，人們已經(jīng)尋找到了這些理論共同作用的蛛絲馬跡。一個暗條爆發(fā)的過程，很可能是一種理論描述的現(xiàn)象占主導(dǎo)，其它理論描述的現(xiàn)象起輔助作用的復(fù)雜過程。不同現(xiàn)象間相互作用，在局域和時間軸上相互影響，可能才是一個“成功”的暗條爆發(fā)的“秘籍”。

暗條爆發(fā)是太陽物理中的一個重要物理現(xiàn)象。它體量大：一次拋出的物質(zhì)相當(dāng)于珠穆朗瑪峰的質(zhì)量；能量強(qiáng)：一次暗條爆發(fā)所產(chǎn)生的連環(huán)反應(yīng)，輻射出的能量相當(dāng)于千億顆廣島原子彈的量級；物理屬性關(guān)鍵：它是許多日冕物質(zhì)拋射（CME）和太陽耀斑的共同觸發(fā)源，擁有著比這兩者更本質(zhì)的物理屬性，了解了暗條爆發(fā)，就在更高程度上了解了CME和耀斑。關(guān)于CME和耀斑所引發(fā)的后續(xù)空間天氣事件，我們在之前的文章《大氣層外的風(fēng)云——空間天氣漫談》中已經(jīng)大略介紹過，有興趣的讀者可以做延伸閱讀。正因為這些空間天氣事件對人類高科技系統(tǒng)的威脅越來越大，而暗條爆發(fā)正是許多空間天氣事件的背后推手，因此更好地了解太陽暗條及其爆發(fā)過程，成為了當(dāng)前太陽物理學(xué)界需要解決的一項重大基礎(chǔ)問題。

無數(shù)個晴朗的白晝，近代天文學(xué)家們曾把望遠(yuǎn)鏡（帶減光設(shè)施的?。┲赶蛱?，贊嘆那些掛在太陽邊緣的“耳環(huán)”的美麗。他們或許不會想到，這些美麗的耳環(huán)也會猛烈地爆發(fā)，并在未來影響到人類的生產(chǎn)生活。他們更難想到，人們對這些“耳環(huán)”的了解，將會到達(dá)如此之高的一個水平，以至于能夠重建出它背后看不見的磁場，和它爆發(fā)的物理機(jī)制。雖然我們目前還有很多問題沒有完全搞明白，但我相信，科學(xué)乘以時間，是面對未知最大的利器。最后，引用北大空間所王玲華老師在“天芳夜譚”系列講座中的一句話作為結(jié)尾：“科技具有兩面性，科技的發(fā)展可能會導(dǎo)致空間天氣事件對人類日常生活的影響增加，但科學(xué)也會帶領(lǐng)人類理解未知的機(jī)理，提高預(yù)報的能力，更好地保護(hù)自己?！蹦Ц咭怀叩栏咭徽桑詈?，我們終會降服妖魔，留給自己的只會是更高的“道”，還有對這個宇宙的更深的理解。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??作者：阿白特爾

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