本文参加百家号科学#了不起的天文航天#系列征文
作者：文/虞子期
在银河系中，有数十亿颗像太阳一样的恒星散落，地球之外的空间并非完全空洞，正如我们生活在太阳的扩展氛围中。太阳与地球之间相互作用，驱动了季节、洋流，辐射带和极光等现象的产生。从最大的行星，到轨道上最小的碎片颗粒，太阳的引力将太阳系固定在一起，其表面和大气也处于不断变化的状态。其广泛、动态的太阳大气，环绕着地球和其他行星，并且延伸到整个太阳系之中。科学家门通过观察整个太阳系中能量和粒子的流动情况，以解开恒星对在地球上生活的我们可能造成的各种影响。
是什么导致了太阳的不断变化
太阳释放能量的方式有两种，一种就是我们常见的光线，在照射地球时使生命成为可能； 而另一种则表现得更加暴力，它会发出光线、粒子和磁场的爆发，以产生波纹效应，一直到太阳系的磁边。从几毫秒内发生的微小变化，到持续数小时或数天的太阳火山爆发，再到27天的旋转，在每个时间尺度上，太阳的活动和条件几乎都有所不同。太阳磁场每左右就会完全改变方向并返回，这便是导致太阳活动周期大约为的缘由，随着磁场变得更加复杂，它会随之在太阳表面附近释放能量。
这些太阳爆炸，可以表现为太阳耀斑或日冕物质抛射的形式，甚至光速般地从太阳中冲出快速带电粒子的释放。下图便是在整个太阳周期的过程中，即太阳活动持续的中，大约每年一次显示的“极紫外波长”状况。对我们的眼睛而言，这种类型的光通常都是不可见的，但在这里以绿色着色。随着太阳周期向太阳最小角度倾斜，明亮的活动区域会变得越来越小，而活跃区域是大多数太阳爆发的来源，这意味着太阳活动和活动区域的数量都呈现出下降趋势。然后，随着活动周期的回升，这些明亮的活动区域又越来越多地覆盖太阳的面部，太阳活动随之开始变得越来越频繁。
太阳的扭转磁场，由带电材料的运动引起，被科学家们称为等离子体，从几毫秒到数十亿年，正是它导致了太阳在时间尺度上的不断变化。巨大的太阳火山爆发可持续数分钟至数小时，如太阳耀斑和日冕物质抛射，太阳的磁极大约每翻转一次，我们看到太阳黑子用数周的时间在其表面形成、生长和消失。几千年来，在任何给定时间，已知太阳的总能量输出都会发生变化。而生活在这颗恒星的扩展大气层中的我们，则更加需要了解驱动这种变化的原因。更重要的是，有关太阳能力的知识，有助于科学家们创建更好的模型，以预测它可能传递给我们辐射和能量的方式。
太阳具有独特的结构体构造
太阳的巨大质量通过引力吸引在一起，并产生了巨大的压力和温度。太阳和许多其他行星一样，也是一个气体星球。就原子数这个角度而言，它由91.0％的氢和8.9％的氦组成。如果按质量来划分，太阳的氢含量约为70.6％，氦含量约为27.4％。太阳有六个区域，它们分别是核心、辐射区、内部的对流区、光球、色球，以及最外面的日冕区域。核心温度大约为1500万摄氏度，这样的温度足以维持热核聚变。这是一个原子结合形成较大原子，并在该过程中释放出惊人能量的过程，具体来说，在太阳的核心，氢原子融合成氦，核心产生的能量为太阳提供能量，并产生太阳发出所需要的热量和光。
太阳的光球体是一个500公里厚的区域，大部分辐射都向外逃逸，这不是一个像其他行星那样的坚固表面。光球层的上方是脆弱的色球层和日冕（冠），它们一起构成了薄薄的太阳大气层，这也是我们看到太阳黑子和太阳耀斑等功能的地方。太阳释放出恒定的粒子和磁场，被称为太阳风。这种太阳风在太阳系中肆虐太阳系统的粒子和辐射 ，若没有受到大气、磁场或两者的阻碍，它们可以一直流向行星表面。太阳本身不是一个生物寄存的好地方，因其充满了热量，充满活力的气体和等离子体。但太阳却使地球上的生命成为可能，提供了植物等有机体用来形成食物链基础的温暖和能量。
太阳磁层和地球磁层的关联
太阳的磁场由太阳风通过太阳系进行，从太阳向周围散播带电的气体流，再加上太阳的旋转，磁场随之旋转成一个大的旋转螺旋，科学家们称之为帕克螺旋。太阳中的电流所产生复杂的磁场，会延伸到太空以形成行星际磁场，而由太阳磁场控制的空间体积称为日光层，在太阳周期阶段中，太阳的光球、色球和日冕经历了从宁静到剧烈活动的变化。太阳磁场的不规则性，引起了大量的能量和粒子释放，而其中一些甚至还能够传播到地球上。磁层是围绕地球的磁场气泡，由地球的自然所磁性产生，磁层的存在，保护了地球上的我们免受来自太阳的入射能量的影响，但太阳的能量依然会根据这样的空间天气，来改变自己的形状和大小，而这些波动会降低通信信号，甚至是致电网中出现意外的电涌。
太阳发出恒定的带电粒子流，即太阳风，在被星际介质阻挡之前，它最终会穿过所有的行星，并向冥王星延伸三倍。这会导致太阳及其行星周围形成一个巨大的泡沫，也就是所谓的日光层。而电离层是地球大气层中的一层，从地球表面上方约50至300英里处延伸，该层填充有带电粒子，并与中间层和热层的中性粒子重叠。电离层对来自太阳的入射物质很敏感，因此它可以对空间天气做出显着反应。由于电离层是低地球轨道航天器的所在地，以及无线电通信所通过的空间区域，因此该地区的意外变化，可对人类技术产生巨大影响。
太空天气对人类有哪些影响
若一个行星来要孵化生命，需要的不仅仅是和太阳保持正确的距离。通过将近地空间和太空系统中的空间环境观测，与日益复杂的计算机模拟相结合，科学家们对太阳物理学研究的重点是放在绘制出太空环境的细节。空间并不是空的，不管是地球周围的空间，还是行星之间的空间、又或是恒星之间的空间，它们与我们在地球上经常遇到的环境都大不相同，但它们远非平静的状态。这是一个复杂的系统，其中的电流产生磁场，反之亦然，而空间辐射在巨大的风中流动，粒子几乎可以加速到光速。来自太阳的能量输入和太阳系外部的宇宙射线，地球的磁场、甚至地面天气都可能导致系统发生其他变化。
虽然阳光从根本上促成并维持了生命的存在，但同时也可以产生大量辐射和磁能，甚至可以破坏行星的大气层、卫星甚至生命。当地球周围的空间环境发生巨大变化时，它被科学家们称为空间天气。严重空间天气的潜在影响范围也是广泛的，磁暴可能会干扰高频无线电通信和GPS导航，甚至在电网中产生强电流，从而破坏公用事业服务；无线电通信则可能会在极地受到影响，这对于跨极航线上的客机来说是一个问题；空间天气辐射会损坏航天器太阳能电池阵列并干扰通信，严酷的太空天气辐射更可能给宇航员带来风险；而磁暴可则能会在电网中产生强电流，破坏公用事业服务，这种电流也可能出现在石油和天然气管道中，导致早期腐蚀；近地空间的变化可能使某些卫星受到比预期更多的阻力，导致早熟的轨道衰减，那些来自太空天气事件的快速移动粒子，可以在卫星电子设备上跳闸。
就像上个世纪陆地天气的监测和预报有所改善一样，科学家现在正致力于提高我们对空间天气的认识，以更好地了解太阳的能量和物质，如何驱动地球附近的太空天气。当然，研究太空天气是一项复杂的任务，包含了许多系统之间错综复杂的相互作用，比如太阳、太阳风、地球的磁场，以及地球的大气层。了解我们的太空环境，有助于了解航天器所经过的区域，并为构成行星和其他恒星的力量提供线索。太阳是我们唯一可以近距离进行研究的恒星，它的可变辐射会影响地球的可居住性。而恒星是如何影响整个宇宙中行星的可居住性，研究人员可以通过对太阳和太空天气的研究提供重要线索。
