图源：Rhett Allain
不过，氦原子核的质量比起始的四个质子质量更小。这并不是质量消失了，而是根据爱因斯坦著名的方程 E = mc, 被转化成了能量。光速非常快，每秒30万公里，再将其平方，意味着哪怕是微小的质量损失，也会释放出大量能量。这就是太阳炙热的原因，其核心温度高达1482万摄氏度，相当高！
在这种极端高温下，太阳外层的气体形成了一种等离子体状态，电子被从原子中剥离，留下大量自由的电荷（主要是电子和质子）高速运动，其中一些粒子的速度足够快，可以逃脱太阳的引力。这些被喷射出的粒子就是“太阳风”。
太阳风撞击彗星时你就能看到它的效果。彗星基本上是围绕太阳运转的“脏雪球”，当它靠近太阳时，冰会直接升华转化为气体。部分气体获得足够能量电离（电子从原子中逸出），形成带电的气体。当太阳风吹过时，它将这些电离气体推离彗星本体，形成一条长达数千万英里的尾巴。
有趣的事实是：彗尾并非像飞机尾迹一样位于彗星后方，而是朝向太阳相反的方向——基本上是彗星飞行方向的侧面。
为什么是现在？
每隔11年，太阳风的活动为什么会如此剧烈呢？和地球一样，太阳也有磁场，但它非常不稳定。由于太阳不是固体，内部各部分以不同速度旋转，造成磁场扭曲变形，并在大约每隔11年彻底翻转一次极性。上次翻转发生在2013年，而现在正是2024年。
这些移动的磁力线会穿透太阳表面，形成黑子和壮观的等离子体喷发，即所谓的太阳耀斑。这是怎么发生的呢？当电荷高速运动时，它们会受到磁场的推拉作用。你可以通过铜线和电池来亲自观察这个现象。如果将铜线放置在静止的磁铁旁边，然后连接电池形成电流，铜线会发生移动。可以试试看：
视频来源：Rhett Allain
在太阳活动周期的峰值阶段，就会发生这种现象：喷发的磁场将日冕中的自由电子和质子拉出，并以每小时高达241万公里的速度抛入太空。当这种活动达到极致时，就被称为日冕物质抛射。5月10日正是这样，连续三次的物质抛射引发了几十年来最强的太阳风暴。专家表示，这可能带来了500年来最壮观的极光景象。
为什么天空会亮起？
最后的问题是：为什么太阳风会让地球大气层亮起那样的光芒？其实，这种现象与酒吧霓虹灯的发光原理类似。
图源：Rhett Allain
霓虹灯是充满氖气或其他气体的玻璃管，当电流从一端流向另一端时，电子会撞击氖气中的电子，将它们推向更高能级。当这些电子平静下来回到基态时，会发出光。光的颜色取决于能量的变化，不同气体（如氩气、氙气或汞）能产生不同的颜色。
在北极光中，发光的并非霓虹灯，而是大气中的气体。氧气在低海拔时发出绿色光，高海拔时发出红光。氮气则发出蓝色或紫色光。黄色和粉色通常是气体混合而成，且只在最强的太阳风暴中才出现。这些气体因太阳高能粒子与地球磁场的波动而被激发，碰撞能量更高，因而产生极光。
等等，地球磁场也在变化？是的，这正是因为太阳风的缘故。就像运动的电荷在磁场中受力，它们同时也会产生磁场。当大量带电粒子如雨点般落向地球，地球的磁场会被拉扯和扭曲，引发天空中的炫目光带。
还有一个有趣的事实：白天也有极光，只是看不见而已。
不只是漂亮的极光
然而，空间天气并不只有绚丽的光景。对于国际空间站上的人类，或高空飞行的航天器，这些高速带电粒子其实是一种不受欢迎的辐射。这种情况下主要是β射线，也可能包含少量的α粒子。
对卫星来说，太阳风会导致电荷堆积，损坏卫星执行任务所需的电子元件。并且，随着地球吸收更多太阳能量，大气会变暖膨胀，增加了低地轨道航天器的阻力，使其减速，最终可能偏离轨道甚至掉落。
在地面上，太阳风暴也可能干扰通信和导航系统，甚至引发停电。还记得我们提到过电流会产生磁场吗？其实反过来也成立：变化的磁场可以生成电流。这里有一个演示：笔者将一根线圈连接到电流表上，但这次没有使用电池。当移动磁铁时，线圈中就会产生电流。
视频来源：Rhett Allain
将这一原理应用到电力线上，微小的磁场变化会生成额外电流，可能烧毁变压器。1859年，太阳风暴击中了电报线路，甚至让电报局着火。
始终令人感到惊讶的是，距离我们1.5亿公里的太阳上的活动，竟会影响地球上的事件——这就是空间天气！
作者：Rhett Allain
翻译：Aegon
审校：7号机
原文：What’s Up With These Crazy Northern Lights?
翻译内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
编辑：7号机
