太陽物理學

中國古代對太陽黑子和日食現象就十分注意觀測，留下了大量的記載。近代太陽物理的研究可追溯到伽利略用望遠鏡觀測太陽黑子之時。以後，牛頓用稜鏡發現了太陽光譜。但直到二十世紀初葉，光譜才成為揭 開天體秘密的有力手段（見恆星光譜）。從此，太陽物理學便步步深入，形成了一個理論和實際緊密聯繫的學科。早在十九世紀末葉，人們就發現某些地球物理現象的變異和太陽黑子的多少有關，磁暴就是最突出的例子。進入二十世紀后，氣候的災變、地球物理現象的異常和太陽活動有關的記載日漸增多，證明了日地關係是很密切的。對於太陽本身的研究，從三十年代起，在理論分析和觀測手段上都有重大的進展。這不但增進了人類對太陽本身的了解，也促進了天體物理其他分支以及物理學的有關分支的發展。當時研究的重點是把太陽當作普通恆星來對待，最重要的課題是太陽和恆星的內部結構和能源機制，太陽和恆星的化學成分和靜態表面結構。在海耳取得太陽單色像和李奧發明Ha單色濾光器（見雙折射濾光器）之後，取得太陽表面瞬變現象的動態資料就成為常規觀測工作，在世界範圍內能夠按統一的標準監視太陽活動。人們在研究太陽的物理方法上從此跨進一個新時代。四十年代到五十年代，由於射電天文學的發展以及太陽磁像儀的發明，人們對於太陽的研究又增加了新的內容。在六十和七十年代，空間觀測又填補了許多空白。

人們已經能夠取得從γ射線到米波射電，從慢太陽風到宇宙線能級的高能粒子的資料，從而可以得到自太陽表面到地球的整個日地空間的直接數據。正是由於上述觀測手段的發展，通過理論探討，人們進一步認識到應該把太陽和日地空間作為一個整體來加以研究。在本學科的領域內，理論上最重要的發展，無疑是阿爾文於四十年代所發現的在高導電流體中磁場與流場的耦合，從而把等離子體物理理論應用於太陽研究，解釋了許多太陽射電、太陽活動的現象。

人們所理解的太陽，已經不只是一個從15，000萬公里之遙的地方供給人們光和熱的大火球，而是一個與地球有直接物質聯的日地系統的母體。日地之間是靠從太陽發射出來的、帶磁場的、高速太陽風進行物質聯繫的。太陽上的各種物理現象，直接或間接地通過輻射和介質波以及高能粒子的運動，傳到地球周圍，對它施加影響。人們今天研究地球科學，就不能不或多或少地考慮太陽的因素。太陽物理學較重要的問題之一，是所謂的中微子之謎（見中微子天文學）。這很可能使人們回到老的起點，即重新研究太陽的內部結構問題。太陽是離人們最近的一顆恆星，也是唯一一顆可以進行詳細觀測的恆星。太陽每天發射出的光和熱為人們提供著人類賴以生存的能源，太陽上一個小小的風暴(日冕物質拋射)也可能引起地球外空間的強烈磁暴。但是，就是這樣一顆與人們朝夕相處的太陽，卻在諸多太陽物理學家近百年的努力后，仍有許多尚未解決的問題。

最“臭名昭著”的要數“日冕加熱問題”了。自從上個世紀30年代通過光譜觀測發現日冕具有上百萬度高溫以來，如此稀薄的太陽日冕為什麼能維持如此高的溫度這一問題，牽扯了無數太陽物理學家的神經。儘管許多“可能”的解釋被提出，並沒有一個讓人完全信服的模型被接受。

太陽活動周現象被觀測也由來已久。人們知道太陽的黑子數每11年有一周期性變化，從太陽活動低年的幾乎沒有，到太陽活動高年的上百個；同時，黑子出現的位置也有周期性變化，開始時出緯度30度左右，之後向太陽赤道移動。這些都表太陽物理學家稱為“蝴蝶圖”的觀測中。雖然一些太陽“發電機”模型能大體解釋一些太陽活動周現象，但是其中一些具體問題還使科學家們無法自信地宣稱太陽活動周問題已得到解決，人們還不能準確地預報下一個活動周內將會出現的狀況。

20世紀70年代發現的日冕物質拋射為太陽家族增添了一個新的未解之謎。人們觀測到大量的起源於太陽低層日冕的物質以平均每秒幾百千米的速度被拋出日冕。部分這些物質甚至會經曆日地之間漫長的旅行，而到達地球外層大氣，從而對地球的電離層和通訊造成影響。儘管到為止，科學家們已對上萬個日冕物質拋射進行了觀測，但對其到底為何發生以及何時會發生，仍沒有一個完整、準確的把握。

由此可見，太陽物理研究中存在著許多長久未解決的問題。這主要是由於人們對太陽的觀測已積累了相當豐富的資料，因此任何理論和模型要想成立，都必須解決和解釋眾多的、紛雜的觀測現象。那麼，出路究竟在哪兒呢？也許，觀測被認為是太陽磁場構件的“基本磁元”是出路之一。

“基本磁元”是指太陽物理學家認為的組成太陽磁場的、不可再分的基本磁場構件，有些類似於原子在物質組成中的地位。對原子和元素周期表的了解大大增強了人們對物質各種各樣化學性質的了解，也許，與此相類似，對“基本磁元”的了解，將幫助人們了解紛雜的太陽物理現象，從而使各種物理現象在一個更本質的層次上得到統一。但是，觀測“基本磁元”需要極高的空間解析度。例如，理論估計磁元的大小在0.1角秒左右，這使得在地面觀測“基本磁元”基本成為不可能。由於地球大氣的不斷抖動，使地面觀測的空間解析度限制在1～2個角秒左右。因此，人們只能藉助於將望遠鏡發射到地球大氣外的空間進行觀測，以求得到高解析度的觀測資料。當然，最近發展起來的主動光學技術，在配合大型計算機使用的情況下，有可能部分克服大氣抖動的影響，從而達到提高地面觀測解析度的目的。這方面的研究尚處於研製、開發階段。

空間觀測的好處不僅在於提高了觀測的空間解析度，同時由於不再有地球大氣的消光作用，觀測的靈敏度也能大幅度地提高。能夠讓人們把太陽看得更“真真切切、明明白白”。當然，空間望遠鏡的製作具有相當的難度，所以人們也不是能一蹴而就地直接進行0.1角秒量級的觀測。從國際空間太陽望遠鏡的發展來看，也是經歷了一個從90年代初，日本陽光衛星的2.5角秒量級的觀測，到1995年上天的SOHO衛星的1.8角秒解析度觀測，再到1998年發射的TRACE衛星的0.5角秒高解析度觀測，這樣一個發展的過程。值得欣慰的是，隨著空間觀測的時間解析度和空間解析度的不斷提高，越來越多的物理現象被人們“捕捉”和了解，太陽物理研究正在進入其黃金階段。解開“磁元之謎”，乃至諸多太陽物理之謎的關鍵一舉，也許就在中國的空間太陽望遠鏡(SST)上。SST是中國科學院國家天文台艾國祥院士提出的、用於觀測太陽磁元精細結構的空間望遠鏡。SST的主要負載是一個1米口徑的光學望遠鏡，用於觀測太陽光球層的矢量磁場。SST的0.05角秒的高空間解析度將使太陽矢量磁場的觀測達到國際上前所未有的精細程度。同時，SST的8個通道同時觀測也將使觀測的時間解析度大大提高。如此高時間解析度和高空間解析度的觀測，將使人們對太陽上的諸多基本物理現象，如太陽活動磁場變化、太陽耀斑的積蓄和爆發過程、日冕物質拋射、太陽風的形成等等，有更深入和更本質的了解，並可能取得太陽物理學上的重大突破。衛星總質量達2噸，是世界上最大的熱光學望遠鏡。

它將由長征四號乙型火箭發射，在距地709千米的太陽同步軌道上以始終指向太陽的姿態運行。在3年壽命期間，實行24小時連續工作。中國科學院國家天文台自1992年起就一直致力於“空間太陽望遠鏡”的研究，已建立了一些相關的實驗室，並做了大量的技術攻關工作。兩塊1米口徑的光學鏡片已製作成功，正在進行組裝、調試。期待著SST的成功發射，期待著其為中國天文學乃至世界太陽物理學，翻開新的一頁。

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太陽是一顆普通的恆星，也是唯一一顆能進行高解析度詳細觀測和研究的恆星，因此它被視作天然的等離子體實驗室。對太陽活動的詳細研究可以推廣到宇宙間各類活動現象的研究中，並對研究日地空間環境和地球環境有重大的實際意義。太陽物理學研究不僅對認識天體物理過程而且對廣泛的自然科學問題都是具有唯一性的。美國科學院關於《新千年天文學和天體物理學》的規劃認為，太陽物理學研究已經遠遠地超出了狹義的太陽物理和天體物理學範疇，正在向下列三個重大方向擴展：

（1）把太陽作為等離子體物理學研究的實驗室；

（2）理解和預報太陽對地球氣候和日地環境的影響；

（3）理解太陽演化對行星系統生命演化的作用，並在這些多學科層面創造新的知識。

太陽物理的真正發展始於19世紀初。1802年發現太陽的吸收光譜；1844年發現太陽黑子11年周期；1859年發現太陽耀斑；1908年測定黑子磁場；1919年發現太陽的22年磁周期；1930年首次建成日冕儀；1939年確立日冕的存在；1942年發現太陽米波射電輻射、證認日冕高電離原子的禁線，確認日冕為高溫等離子體；1946年提出耀斑的磁重聯機制、發現紫外和X射線光譜；1950年提出射電輻射機制；1955年發現太陽普遍磁場；1958年預言太陽風並於1962年得到觀測證實；1961年提出太陽周唯象模型；1968開展太陽中微子探測並發現中微子短缺，這一問題直到2001年才被Davis和小柴昌俊解決並獲得2002年度諾貝爾物理獎。

從20世紀60年代開始，一系列空間觀測揭示了太陽與日球空間的新面貌。如1962－1975年美國的OSO 1－8系列衛星，1973－1974年運行的Skylab衛星，1980年的SMM衛星，1991年美國的伽馬暴探測衛星CGRO/BATSE等。1960年發現太陽5分鐘振蕩並導致十餘年後日震學的確立與發展；1962年確認太陽風；1971年發現CME；1968－1977年初步建立耀斑標準模型；1983年發現過渡區爆發現象，並證實它源於低層大氣磁場重聯；基於光球層矢量磁場觀測的日冕磁場外推方法陸續被提出，MHD數值模擬工作得到發展。

20世紀90年代以後太陽與日球物理的研究進入了一個全面發展時期。這期間空間衛星探測佔據主導地位，Yohkoh、Ulysses、SOHO、RHESSI、TRACE、Hinode、Stereo等太陽探測衛星無論是在探測技術還是在探測範圍都得到了空前的提高，開始了多波段、全時域、高解析度和高精度探測的時代。同時結合一系列地面觀測設備的聯合研究，取得了一系列科學發現：

(1)太陽內部結構和動力學方面，1992年日震學研究在太陽輻射層和對流層邊界發現了一個速度高度剪切的、厚度只有約0.05R⊙的Tachocline層，被認為是太陽磁場和太陽周發端的孕床；發現了新活動區浮現的顯著特徵；發現在接近太陽表面的穩定流向極區的子午環流；詳細的三維磁流體數值模擬，再現了活動區浮現的主要觀測特徵。

(2) 太陽表面磁活動方面，太陽磁場與電流和磁螺度同時浮現，通過對流塌縮和浮力不穩定性發展為與太陽表面近垂直並超過1.5kG的磁場；太陽活動區的譜斑輻射增強超過黑子本影和半影的吸收；太陽磁場分佈決定太陽總亮度的變化；紅外太陽向量磁場觀測取得進展，得到在溫度極小區高達5G/km 的磁場梯度，揭示低層大氣的電流片結構；暗條和日冕磁場測量正成為可能；太陽表面小尺度磁場的浮現和對消在約40小時的時標內迅速更新太陽表面磁通量；觀測到太陽極區的kG磁場以及太陽表面量大命短的水平磁場。太陽表面的局地磁發電機可提供足夠的磁能加熱太陽外層大氣；太陽表面到處都存在小尺度的磁環，它們受對流等離子體影響，形成磁毯結構，很可能與傳統的磁結構傘蓋模型不一致。

(3) 太陽外層大氣和日球方面，太陽色球和過渡區之間無明顯邊界，其光譜特徵遠離局部熱動平衡，是非線性磁流體動力學過程在輻射轉移中的反映；有磁場和無磁場區域很可能存在不同的大氣模型，標準大氣模型只是一個平均結果；初步證認日冕中波的傳播、磁重聯、微耀斑對UV和EUV譜線輪廓的影響；射電、X射線、光譜和白光日冕觀測揭示日冕以CME的形式向行星際空間拋射磁化等離子體和磁螺度，同時通過發生在CME和耀斑之間的電流片當中的磁重聯釋放磁自由能；CME的源區、觸發機制、與太陽耀斑及爆發日珥的關係、和對地有效性研究取得重要進展；高速太陽風起源的研究取得實質性進展。

(4) 太陽和恆星的聯繫方面，恆星磁活動研究和星震學取得重要進展。恆星磁活動對於恆星溫度和自轉速度的依賴，及這些性質與恆星年齡和恆星光球鋰和鈹丰度的關係開始被揭示。研究與太陽相似的恆星對理解和預測太陽磁活動長期行為有重要意義。

（5）空間等離子體和磁流體數值模擬逐漸在太陽物理中得以應用，現已成為理論和觀測之外的又一種重要研究手段。

在探測技術方面，進一步提高探測儀器的空間-時間-波段解析度，並實現全波段的探測是未來的發展方向，2006年發射的日美歐合作項目Hinode（即Solar-B）在解析度方面已經有了很大的提高，計劃中的其他項目，如SDO、Solar Orbiter以及幾個地面設備如美國國立天文台4米太陽望遠鏡 (ATST)、大熊湖1.6米太陽望遠鏡（NST/BBSO）、美國變頻太陽射電望遠鏡（FASR）等都將在這幾個方面有突破。

太陽物理學尚未解決的難題中，以太陽發電機、太陽纖維化的表面磁對流過程和活動日冕的加熱等三大難題對天文學和天體物理學最重要。其中，有關太陽磁場和磁化等離子體的研究是最核心的物理問題。太陽對氣候和空間天氣的影響、對宇宙中生命現象的影響，其根源都是太陽磁場活動。近年天體物理研究（如星暴星系、吸積盤和噴流、g暴等）的進展，清晰表明天體磁場與等離子體耦合（即磁流體力學）研究的重要性。由於太陽是唯一能進行高解析度磁活動觀測的天體，因此觀測和研究太陽對其它高能天體物理的研究有重要的引導和推動作用。

美國科學院空間科學委員會提出的第一個挑戰性的科學問題就是：“理解太陽內部的結構和動力學、太陽磁場的產生、太陽周的起源、太陽活動的成因和日冕的結構和動力學。”理解、定量描述並預測太陽、日球和磁層動力學過程對人類活動的影響成為當今空間科學的主要目標和重大課題之一。在這些具有挑戰性的課題中，理解太陽和空間等離子體過程的基本的物理原理，是一個基礎性研究。美國學者Aschwanden在一篇綜述文章中列出了以下10個太陽物理學中的重要課題：（1）中微子問題；（2）太陽內部結構（即日震學）；（3）太陽磁場（包含發電機、太陽周的產生及日冕磁場的測量）；（4）冕環動力學；（5）日冕中的波與振蕩（即冕震學）；（6）日冕加熱；（7）爆發現象的自組織現象；（8）磁重聯過程；（9）高能粒子加速；（10）日冕物質拋射及相應的現象。

2．國內太陽與日球物理領域的現狀和近幾年的進展

（1）研究隊伍

經過幾十年的發展，我國已形成了一支在國際上有一定影響力的太陽物理研究隊伍。這些研究力量集中在中國科學院國家天文台、紫金山天文台、雲南天文台、空間科學與應用研究中心和南京大學。另外，在中國科技大學、北京大學、北京師範大學等單位也有部分研究人員從事與太陽物理相關的研究。研究人員總數大約有150名，其中包括中國科學院院士5人，碩士和博士研究生約100名。這些研究人員分佈在大約10個研究團隊里從事著各具特色的研究。

（2）觀測設備

我國已建成了包括一系列總體性能優良的觀測設備，其中部分設備達到國際先進水平。從規模和水平看，我國太陽物理研究在發展中國家中居於首位，在部分研究領域保持了國際先進水平。這些觀測設備主要有：

懷柔太陽觀測基地：為國際重要的太陽磁場和速度場觀測研究基地，擁有世界一流的太陽多通道望遠鏡，該儀器分別獲得國家科技進步一、二等獎各一次和中國科學院科技進步一等獎兩次，可進行太陽光球和色球磁場和速度場觀測。基地與美國大熊湖天文台在世界上首先成功地進行了太陽磁場的“日不落”觀測，為太陽物理研究領域中的開創性研究課題。近期建成的懷柔的全日面矢量磁場望遠鏡系統，已經成功常規運行，開展全日面矢量磁場科學觀測和研究工作，獲得部委級科技一等獎。具有高時間（5-8毫秒）、高頻率（4-20MHz）解析度的中國太陽射電寬頻動態頻譜儀（1.0-2.0GHz, 2.6-3.8GHz和5.2-7.6GHz頻段），與紫台、雲台聯合獲北京市科學技術一等獎。

雲南天文台太陽物理觀測設備：0.6-1.5GHz頻段射電頻譜儀，頻率解析度1.375MHz，時間解析度5毫秒。全日面望遠鏡和Ha單色像精細結構望遠鏡觀測資料一直是太陽物理、日地關係及相關學科研究的基礎數據，先後參加了國內外色球活動巡視資料聯合發布，也一直是全球太陽活動24小時監視網路當中的骨幹儀器。

紫金山天文台太陽物理觀測設備：4.5-7.5GHz頻段射電頻譜儀，頻率解析度10MHz，時間解析度5毫秒。贛榆Ha精細結構望遠鏡口徑26cm，線心6563A，帶寬0.25A，該儀器可對太陽進行高時間解析度成像觀測。多通道近紅外太陽光譜儀，同時對太陽活動及寧靜現象進行Ha、CaII 8542和HeI 10830三條線的光譜觀測和縫前Ha單色像觀測。三條譜線的光譜（像元）解析度分別為0.055埃、0.052埃和0.048埃。

南京大學太陽塔：塔高21米，定天鏡口徑60cm，成像鏡口徑43cm，焦距21.7m，目前在Ha、Ca II 8542和He I 10830三個波段配有成像光譜觀測。光譜解析度在Ha波段為0.025埃，在Ca 8542波段為0.059埃。

（3）科學研究進展

在太陽表面磁學，包括太陽活動區向量磁場演化和太陽弱磁場研究，太陽活動大氣的光譜診斷、基於非局部熱動平衡理論計算的半經驗大氣模型、耀斑動力學過程、太陽活動中的高能輻射、太陽大氣中的微觀等離子體機制、太陽風理論和模型、太陽磁場的理論外推、太陽活動磁流體理論與數值模擬、太陽活動中長期變化等方向開展了一系列原創性研究，在國際學術界已佔有一席之地。例如，近年中國太陽物理學家在國際天文聯合會編號學術會議上（IAU Symposia）或國際空間科學委員會學術會議上（COSPAR Colloquia）多次擔任科學委員會成員、分會主席、科學委員會聯合主席等。2004年以來，在IAU Symposia 上，中國太陽物理學者做了7次大會特邀報告，包括大會開場評述報告。艾國祥曾擔任IAU第10委員會主席，方成、汪景琇、甘為群都曾擔任IAU第10和12委員會組委；方成、汪景琇曾任和在任國際太陽物理權威刊物編委。另外我國資深學者胡友秋等在太陽磁流體力學數值模擬研究中也在國際上有相當的影響。我國學者在太陽物理學科保持了相對的學術優勢。