美国《科学》杂志10月17日刊登了5篇关于太阳的学术论文，聚焦最近在太阳大气里发现的极小尺度的动态现象。在介绍这5个新发现之前，让我们首先来了解一下太阳大气的基本结构和太阳物理的研究内容。 

太阳大气从里往外分别是光球、色球、过渡区和日冕。其中光球大约六千度，物质基本处于中性状态。日冕约一百万度，在如此高的温度下，几乎所有的日冕物质都被电离了。而介于二者之间的色球和过渡区被统称为界面层。其中色球温度在一万度左右，只有少数物质被电离了；而过渡区的温度从两万度急剧增加到近百万度，大气密度也从里往外急剧下降。在色球或者过渡区的图像中，辐射比较强的地方连成了一个网络状的结构，这种所谓网络组织是界面层的主要结构（图1）。这些网络组织对应宁静太阳中磁场比较强的位置。

太阳大气研究领域大体上有四个最主要的科学问题：日冕加热，太阳风起源，太阳爆发，太阳磁场。日冕加热指的是为什么日冕的温度那么高。太阳风是从太阳往外辐射的带电粒子，是太阳到地球的广袤空间的基本介质，其从太阳上起源的具体机制还没有得到充分理解。太阳爆发是太阳的电磁和粒子辐射突然大大增强的现象，可以引发地球磁场和地球高层大气的剧烈扰动，从而影响甚至破坏现代社会中众多的高技术系统。太阳界面层在理解这三个重大科学问题中占据了重要地位。因为日冕的物质和加热日冕的能量都需要经由界面层，界面层被认为是太阳风起源的层次，对界面层结构演化的研究有助于我们理解太阳爆发的机制。

 然而，太阳界面层在过去数十年里并未得到充分的关注，其重要性在最近十余年里才为大家所认识。2013年6月，美国航天局(NASA)发射了一颗被称为太阳界面层成像光谱仪(IRIS)的卫星。IRIS卫星的科学目标就是要通过探测太阳的过渡区和色球，来增进我们对日冕加热、太阳风起源和太阳爆发这三个重大科学问题的认识。IRIS卫星携带了一个仪器，这个仪器包括两个部分，一个部分是对源自界面层的紫外辐射进行成像，另一个部分是采集界面层的紫外光谱。这种成像和光谱结合的方式能让我们更准确地解释观测到的现象。IRIS仪器的分辨率非常高，可以看清太阳上大概200公里大小的结构（太阳的直径大约138万公里），能够观测到那些寿命短至几秒的现象的演化过程，它测量太阳大气中物质运动速度的精度高达每秒1公里。

 历经一年多紧张的卫星运行调试、仪器定标、观测和分析数据后，IRIS卫星团队在《科学》杂志上发表了第一批重大科学成果。团队成员分别来自美国路克希德·马丁太阳与天体物理实验室、哈佛-史密松天体物理中心、蒙大拿州立大学、国家大气研究中心、挪威奥斯陆大学、德国马普学会太阳系研究所等科研机构。从上个周末至今，NASA总部、英国广播公司、澳大利亚广播公司、《自然》杂志、美国太空网、新华社等机构纷纷报道了这批成果。在这五篇论文中，笔者是其中两篇论文的主要作者，因此这里主要介绍这两篇论文的新发现。

1.      太阳界面层中的超音速喷泉

研究太阳大气的人大多知道太阳上偶尔会有笔直往外喷射的喷流(jets)。IRIS发现在太阳界面层的网络组织里，充满了间歇性的极高速度（多数在每秒80-250公里之间）的小尺度（宽度小于300公里）喷流，这些喷流是迄今在界面层里发现的最高速度的喷流，其观测到的速度远远超过当地的音速（每秒40公里左右）。这些喷流发生的频率非常高，大约每隔几分钟就从网络组织中大体上同一个地方重新喷一次。从论文所附的视频里看，这些喷流有几分像喷泉。只不过地球上的喷泉在喷出去后会有回流，而IRIS观测到的喷流没有显示明显的回流。

这一发现对于太阳风的起源有重要意义。太阳界面层里的网络组织在过去被认为是太阳风起源的区域，在现有的主流太阳风模型中，界面层里物质外流速度一般都只有每秒几公里，而且这些流动是稳定的连续不停的。一个很自然的问题就是：我们发现的这些间歇性出现的喷流是否是初始状态的太阳风。如果答案是肯定的，那么很显然，现有的太阳风模型需要更新，需要重现出间歇性产生的太阳风。即使这么普遍的喷流不是初始的太阳风，太阳风模型至少要细致地分析它们与尚未被直接观测到的初始太阳风之间的相互作用，评估他们对初始太阳风的物质和能量供应的贡献，因为IRIS的观测表明，这些喷流是太阳风源区最明显的动态现象。

 这些网络喷流的发现还有另外一层意义：它们大多都喷到数千公里后就消失不见了，有时甚至喷到上万公里，而且IRIS发现这些喷流的温度高达10万度。10万度正是太阳过渡区的典型温度。现有的太阳大气模型里，太阳过渡区基本上是一个静态的、只有约500公里厚的区域，而且这些模型预测的过渡区辐射量经常比实际观测的辐射量要低很多。而IRIS的观测发现表明，过渡区是非常动态的，其局地的厚度可能远远超过500公里。IRIS的观测也表明，这些喷流是过渡区最明显的结构之一, 太阳大气模型需要将这些网络喷流包括进去。

论文：H. Tian et al., Science 346, 1255711(2014)

http://www.sciencemag.org/content/346/6207/1255711.abstract

部分相关视频：

http://kurasuta.cfa.harvard.edu/~htian/sciencem1.mov

http://kurasuta.cfa.harvard.edu/~htian/sciencem2.mov

2.      太阳低层大气里的炸弹

太阳大气中小尺度的能量剧烈释放的现象曾被称为炸弹或者爆炸(bomb)。比如所谓埃勒曼炸弹，指的就是太阳光球中局地能量释放导致6千度的物质被加热到1万度左右的小尺度现象。IRIS的观测表明，光球中的小尺度(大约1千公里)爆炸事件可以将物质加热到10万度，以往从来没发现光球中存在如此高温的物质。有意思的是，位于光球之上的色球并没有受到这种爆炸太大的影响，而只是被爆炸产生的巨大冲击力往外推了一下。我们对这种小型炸弹所产生的能量做了一个粗略的估计，其释放的能量相当于一个中等耀斑释放的能量，也相当于数万次强火山爆发的总能量。

目前我们对太阳大气分层结构的理解是，从太阳的光球顶部往外，温度是单调增加的。而IRIS现在发现，在1万度的色球之下，竟然在局部区域中存在温度高达10万度的物质。这一发现表明，在太阳大气中的局部区域，传统的太阳大气温度结构是可以被颠覆的。

这些高温物质极可能是光球局部区域里发生的磁场重联所导致的。磁场重联指磁力线重新连接，是太阳大气和日地空间能量释放的主要方式。我们对电离物质中的磁场重联有较多的观测和研究，但对光球这种中性物质占主导的环境里的磁场重联还没有太多的了解，IRIS的观测将大大增进我们在这方面的认识。

论文：H.Peter et al., Science 346, 1255726 (2014).
http://www.sciencemag.org/content/346/6207/1255726.abstract

图1：美国太阳动力学天文台卫星（SDO）上搭载的HMI仪器拍摄的太阳局部区域的紫外照片，显示了太阳界面层的网络组织。每一个网络单元的直径大约是两万公里。图像来源：SDO飞船官方网站http://sdo.gsfc.nasa.gov/。

图2：IRIS卫星观测的网络喷流静止照片，其中红色圆圈里包含了多个喷流。图像来源：H. Tian et al., Science 346, 1255711 (2014)。

图3：IRIS卫星观测的炸弹静止照片。图像来源：H. Peter et al., Science 346, 1255726(2014)。