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太陽大氣的突然爆炸，在短短幾分鐘內，釋放出相當於數十億顆原子彈的能量。起因是太陽磁場突然重新排列，呈拱形穿出太陽表面。藉由觀察磁場中的灼熱氣體，可以追蹤這種磁力線重連的現象。
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在2003年10月底與11月初，科學家見證了一些破紀錄的超大型日焰（又稱太陽閃焰）。這些大量流出的帶電粒子很顯然抵達了地球附近的上空──遠離其源頭整整1億5000萬公里。到達我們周遭區域的粒子風暴有時候太過猛烈，使得許多科學與通訊衛星必須暫時停止運作，有些衛星甚至慘遭毀損；而國際太空站上的太空人也遭到危及，必須躲入防護比較良好的推進艙中。在地表附近，飛機必須繞道避開高緯度區域，以防止機師可能遭遇的電波通訊問題，以及乘客與飛航組員可能因而暴露在令人憂慮的大量輻射之下。還有，工程師也必須小心地監看電極板網柵，以防驟然而至的電力浪湧。除此之外，瑞典南部有五萬名居民，遭受短暫停電之苦。
還好，地球的磁場與大氣可以保護絕大多數的人免於更猛烈的太陽風暴蹂躪。但因人類社會越來越倚重現代科技，使得每個人或多或少會受影響。在大型日焰噴發的過程中，可能造成最大傷害的是從太陽外層大氣快速射出的物質──太空物理學的術語稱為「日冕團塊噴射」。這類事件有時會送出大量的游離氣體並撞擊地球，2003年的超大型日焰中，就發生了好幾起這樣的事件。
雖然科學家早就想要搞清楚，究竟是什麼驅動了日焰以及經常隨之而生的日冕團塊噴射，但直到最近10年左右的觀測結果，才精良至足以揭露它們錯綜複雜的樣貌，並闡明背後的物理機制，這得歸功於1990年代才引入的新技術。磁場線的突然重新排列被證明是事情的關鍵，這是一種稱為「重連」的現象。
200萬K的高溫仍不嫌猛烈
地球上的天氣型態雖然複雜，但至少是源於我們所熟悉的過程：日光加熱、氣壓差異與風的變遷模式等，所以大多數人能夠很直觀的理解為何今天出大太陽而明天卻下大雨。相對的，日焰與其他「太空天氣」卻牽涉到磁場與高熱游離氣體（也就是其組成原子之電子已被剝除）間的交互作用。這一類的交互作用無法直接看到，即便是專家也很難以想像。用來解釋這些行為如何產生日焰的最佳理論──磁力線重連，早在1950和1960年代就已提出，但卻一直等不到相關的觀測證據，以至於有些太空物理學家開始懷疑這個理論的價值何在。
科學家普遍認為日焰所釋放出來的能量，必須先儲存於太陽的磁場中。這項推測的事實基礎，是日焰噴發之處，都在高於太陽平均磁場強度之活躍區域內。這些區域由於太陽黑子的出現（太陽黑子是太陽磁場最強且看起來較暗的區塊），非常容易辨識。在這些區域裡，磁力線從表面延伸進入日冕（也就是太陽大氣的外層）中，因拱起而形成寬闊的環圈，用以捕捉溫度達好幾百萬K的灼熱氣體。這樣的高溫足以使被控制住的氣體發出極紫外輻射和X射線（見延伸閱讀1）。源於此種磁場特性的閃焰，偶爾會自活躍區域噴發，使得環圈中的氣體被加熱到非比尋常的高溫，大約1000萬~4000萬K之間。
長久以來，除了這種閃焰與強磁場的關聯之外，日焰噴發的詳細情形依然模糊不清。例如，天文學家逐漸明瞭涉及閃焰的磁場環圈與高熱氣體，和在活躍區域中其他地點所發現的結構雖然非常相似，但可能有很大的差異。第一個徵兆來自大約14年前，日本陽光（Yohkoh）人造衛星所做的測量，那是第一個可延伸至中高能X射線波段（如此才容易檢測出高熱氣體）拍攝日焰影像的太空探測器。在一些日焰現象中，磁場環圈頂部顯現出神奇的尖端，看起來就像是有尖頂的哥德式拱門，而非一般常見的圓頂。
當時還是日本東京大學研究生的增田（Satoshi Masuda）在檢驗陽光人造衛星拍攝的影像時，發現1992年的一次日焰，在頂部尖端區域發射了一大團頗不尋常的高能量（短波長）X射線。他認為那個來源是一團超高熱氣體（約1億K），在短波長X射線上看起來非常明亮。另一個可能是，有某樣東西將此區域內的電子加速至很高的速度，使它們在碰到周遭氣體中的離子時，突然減速而輻射出X射線。
這兩個可能的解釋，不論何者，都同樣令人困惑。假如那種烈焰是由氣體所構成的，怎麼會被限制在如此小的區域呢？另外，假如X射線起因於加速的電子轟擊離子，為何輻射只來自靠近環圈頂端的緻密源頭，而非環圈底部氣體密度最高之處呢？
為了解開這些謎團，太空物理學家需要能區分熱氣效應與加速電子的測量。此外，為了明瞭相關的活動在何時何處發生，他們也需要經常在整個X射線與γ射線能量範圍內，擷取太陽輻射影像。由於缺乏這樣的資訊，使得在接下來10年裡的研究進展極為緩慢，直到2002年美國航太總署（NASA）發射了「高能太陽光譜影像衛星」（RHESSI），才捕獲了某些日焰尖端區域的詳細景象。RHESSI提供了具說服力的明確證據，確認了磁力線重連是造成日焰與日冕團塊噴射的原因。
交織的磁力線
想了解磁力線重連事件中究竟發生了些什麼事情，必須先對看不見的磁力環圈如何捕捉太陽大氣裡的熱氣有一些基本認識。「電漿」是這種氣體最好的稱呼，因為它主要是由彼此分離的電子與質子所構成，這表示它是可導電的。所以電場可推動這些帶電粒子，形成電流。磁場也會對這些帶電粒子施力，使它們沿著磁力線快速旋轉。
和電子與質子必須這樣旋繞磁力線的限制相比，它們在沿著磁力線方向上的移動比較自由。我說「比較」，是因為當帶電粒子沿著逐漸匯聚的磁力線方向運動時，會感受到一股遲滯力。因此，舉例來說，當一個粒子從環圈頂端下降到底部時，它將會減速趨近被稱為「環圈足點」的區域，在那裡磁力線匯聚在一起，磁場強度也更大。最後，越來越強大的磁場會阻止電子或質子繼續前進，反而將它們向上逆推回去。這個過程有些類似把顆砲彈扔在床墊上的情形。但是，不像砲彈會暫時轉換運動的能量來壓縮床墊裡的彈簧，太陽上的帶電粒子並不會把能量傳給磁場，而是將它們向下運動的能量轉變成增加它們沿著磁力線旋轉的頻率。如此一來，磁環兩個足點的作用像鏡子一般，將質子與電子在它們之間不斷的反射，就像是個帶電粒子的大牢籠。
令人訝異的是，電漿本身會影響支撐它的磁力線。會有這樣的行為，主要因為電漿是帶電粒子的大海，當有電位差異時，就會驅動粒子而形成電流。在我們比較熟悉的電路裡（例如閃光燈的電路），電池提供了這種驅動電壓。在太陽上並沒有像電池這樣的東西，但是磁場的變化會引發電位差（和運作電動馬達相同的物理原理），因此可產生電流。這些電流又會產生新的磁場，使得整件事變得更加複雜。這個效應再加上磁場環圈足點遊走不定的特性，就可在太陽大氣中產生場面浩大、變化萬端而高度扭曲的磁場。這些磁場蘊藏著極高的磁能，準備激發日焰。
故事說到這裡，僅僅描述了幾十年來科學家已知的一些日焰運作基本物理。問題是磁場能量究竟如何轉變成熱，加速粒子並射出物質。考量所有電路共通的特性，得到的一個可能：電荷在電路中的運動不僅受電流與電壓驅使，也會受電阻的影響。例如，電燈泡裡的燈絲為經過的電流提供了電阻，才能損耗電能，將其轉化成光與熱。太陽大氣能夠提供電阻，因為構成電流的帶電粒子有時會彼此碰撞，阻礙了彼此的運動，增加周遭環境的溫度。此外，驅動電流的電壓本身伴隨著一個電場。假如這個電場強度夠大，電子與離子將會被加速，奮力衝出熱電漿。瞧！將粒子加熱，並賦予超高能量，那可不就是道閃焰嗎？……
【本文轉載自《科學人雜誌》2006年5月號】
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