日冕物质抛射（CME）

      肉眼看到的太阳宁静而又美丽，而这并不是太阳的全貌。如同地球上有台风、地震、海啸等恶劣的自然灾害一样，太阳上也会发生剧烈的爆发活动。日冕物质抛射是规模最大、对地球环境影响最为严重的太阳爆发活动现象。它表现为在几分钟至几小时内，约几十亿到几百亿吨的日冕物质以每秒几十公里至每秒一千多公里的速度从太阳向外剧烈抛射。抛射出的物质若对着地球方向传播，则会对地球的高能粒子环境和地磁环境造成强烈扰动。在强太阳风暴中，必定有日冕物质抛射的身影。

1．日冕物质抛射的发现

   日冕是太阳大气（光球、色球和日冕）的最外层，最初只能在日全食时观测到。1930年，法国天文学家李奥发明了日冕仪，它能够通过人为制造“日全食”的方式来观测太阳日冕和日珥的形态和光谱，实现了非日食期间也能对日冕和日珥进行观测。从70年代开始在观测太阳的空间飞行器上放置日冕仪，从而可以在非日全食期观测到几个太阳半径的日冕现象。在日冕中频繁发生的瞬变现象——日冕物质抛射就此被发现了。正是由于日冕仪的发明和空间观测技术的发展，使得日冕物质抛射这一太阳爆发活动现象的发现成为可能。

  1973年美国海军实验室的轨道太阳观测台7号卫星（OSO-7）首先观测到一些突如其来的物质抛射使日冕结构发生了突然变化，这种抛射不仅涉及很高的质量和能量，而且发生频繁。随后，高山天文台安装在天空实验室卫星上的日冕仪于1973年5月至1974年2月期间对日冕物质抛射现象进行了首次常规监测。70年代中期，美国的“太阳风”卫星（Solwind P78-1)、太阳峰年卫星（SMM）、国际日地探测卫星（ISEE）3号及西德与美国合作的太阳神卫星（Helios）等积累了大量日冕物质抛射现象的观测资料。90年代以来，日本阳光卫星（Yohkoh）的X射线成像观测和太阳与日球层观测卫星（SOHO）上的大角度分光日冕仪(LASCO)的大视场日冕观测更是让天文学家“瞪大了眼睛”，对日冕物质抛射现象充满了极大的兴趣。图1是2003年10月28日SOHO/LASCO卫星观测到的一次日冕物质抛射的爆发过程。

图1日冕物质抛射的爆发过程(SOHO/LASCO) 。中心部分的白色圆环代表太阳，暗色的圆形区域是挡光板，亮度的增长反映了被抛出的高温等离子体密度的增长。

  过去人们往往把观测到的源于太阳的各种日地空间和地球环境的扰动现象，如行星际激波、太阳质子事件、磁暴、极光和电离层骚扰等，几乎全部归因于太阳耀斑。经过近40年对日冕物质抛射及其相关现象的观测与分析研究，我们越来越认识到日冕物质抛射所造成的日地空间环境扰动并不亚于太阳耀斑。对地球的高能粒子环境和地磁环境造成的扰动，日冕物质抛射似乎是比太阳耀斑更重要的肇事源。

2．什么是日冕物质抛射？

  　日冕物质抛射是太阳爆发活动的重要现象，表现为在几分钟至几小时内从太阳大气中向行星际空间抛射出一团日冕物质，使很大范围的日冕受到扰动，从而剧烈地改变日冕的宏观形态和磁场位形。日冕物质抛射的形态多种多样，有环状、泡状、云状、束流状、射线状等，其中以环状最多（图2）。典型的环状日冕物质抛射结构通常包括：亮外环（或高密度泡）、被环所包围的低密度腔和腔内的由低密度物质构成的亮核。

图2 日冕物质抛射 左上角为典型的环状日冕物质抛射结构

  　日冕物质抛射向外抛出的物质本质上是等离子体云，质量大约几十亿到几百亿吨，速度一般从每秒几十公里直到每秒一千多公里，携带了大量的磁场。喷发出的等离子体云若对着地球方向传播，经过1～4天会到达地球空间，与地球磁场相互作用。同时，当快速日冕物质抛射穿过太阳风时，还会加速其中的粒子，使之成为强且持续时间长的高能粒子源。大多数在地球附近观测到的大的太阳质子事件就来源于此。

3． 日冕物质抛射的发生规律

  日冕物质抛射的发生频率与太阳活动周所处的阶段相关。粗略的说，在太阳活动周极小年，发生率为0.5个/天，极大年为2～5个/天。日冕物质抛射的位置随太阳活动周也存在着变化。在太阳活动周极小年通常出现在赤道附近，而在极大年会分布在较大范围内，有时出现在南北纬60度以内。

　　日冕物质抛射经常与其他的太阳活动现象联系在一起，如太阳黑子、日珥爆发、耀斑等。在一次强太阳风暴中，这些太阳活动现象通常均能观测到。尽管它们之间具体的联系还没有被充分的了解，但现在普遍认为日冕物质抛射和耀斑是由共同的成因造成的，这些现象都是磁场结构大规模变动的结果。

图3 耀斑与日冕物质抛射共生（2003-11-4，SOHO/LASCO， SOHO/EIT）

 4．对地日冕物质抛射

  　日冕物质抛射的大小一般用角宽度来衡量。角宽度是日冕物质抛射两个边缘所构成的角度。日冕物质抛射的角宽度一般都很大，从几度到几十度甚至大于120度，平均为50度。对于日冕亮度增长范围超过140度的日冕物质抛射则称之为晕状日冕物质抛射。而晕状日冕物质抛射可初发于对着地球的可见日面，沿着日地连线方向向地球传播，也可以发生在不可见的太阳背面，背离地球向外传播。对于起源于可见日面，朝向地球方向传播的日冕物质抛射则被称为对地日冕物质抛射。

  　对地日冕物质抛射在行星际空间传播形成的磁云可直接撞击地球磁层，其巨大的速度和可长期维持的强南向磁场使磁云与地磁场有效地相互作用，产生强烈的地磁暴。如2003年万圣节太阳风暴中，10月28日发生的对地日冕物质抛射初发于可见日面的中心位置，角宽度超过270度，几乎环绕日面一周。该事件与X17级耀斑相伴随，事件发生后即在地球空间产生了强质子事件和强地磁暴。

图4 万圣节太阳风暴期间的高能粒子环境与地磁环境