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深度科普:太阳风,空间气象的幕后推手

风花雪月,皆为造化;雷霆雨露,俱是天恩”,这是我们对地球表面天气变化的理解。然而在远离地表几十公里之外,大气极其稀薄的近地空间中,上演着不逊于地表气象的激烈变化。造成这种空间气象变化的幕后推手,就是本文要与大家讲述的主角——太阳风。

用肉眼看太阳,是一个圆的发光面,没有什么可圈可点的地方。但如果您用天文望远镜观测过日食,就会发现不同。如果是日全食,会看到被遮挡住的太阳会留下一个亮圈,如果您的望远镜分辨率很高,还会看到这个亮圈其实还包含着一些亮度不同的结构。这个亮圈就是“日冕”。

深度科普:太阳风,空间气象的幕后推手

随着空间探测时代的到来,科学家们通过部署在空间探测器上的望远镜对太阳进行了“抵近观察”,尤其是对波长在100~1600埃的极紫外线波段,揭示了太阳大气中复杂的物理过程,使得人们对太阳大气的认识有了突破性的进展。

与地球大气被束缚在地球附近,只有很少量空气的逃逸不同,太阳的大气不断向太阳外面膨胀。尽管太阳引力可以吸引住包括地球在内的行星和各种太阳系内的天体,却依然无法吸引住太阳大气。这是因为太阳大气实在太热了,热压驱动其向外膨胀。

深度科普:太阳风,空间气象的幕后推手

观测表明,日冕的温度可以高达几十亿度以上,这就产生了很大的向外的热压力。向内的太阳引力无法吸引住太阳大气。太阳大气就会从四面八方向外膨胀而去,距离太阳越远,热压力越小,最后与银河系气体的压力形成一个平衡的接触面。这个面内所包含的空间,就叫做“日球层”。而太阳大气向外膨胀的物质流,就叫做“太阳风”。

太阳风由完全的等离子体组成,其成分主要是质子和电子,有极少量的重离子。这些物质充斥在整个日球层之内。大约有100个天文单位的大小。一个日地的平均距离,就叫一个天文单位,约为1.496亿千米。

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太阳通过自身引力所引发的热核聚变产生能量。这些太阳内部产生的能量通过辐射传输的方式向外扩散,被太阳外层的大气吸收,被吸收之后再向外辐射,如此接力传递直到我们可以用肉眼看到的发光层——光球层。光球层很薄,大约有几百千米厚。

光球层以辐射的方式向空间中发射能量,所以光球层的温度降低了,其黑体辐射温度为5800K。光球层内的温差,由内向外急剧下降,形成了巨大的温差,这就导致了光球层内部产生了强烈的对流,因此这层大气也被称作对流层。

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对流的过程是由底部的气体受到来自太阳内部的辐射加热开始膨胀,类似烧水的时候,热水从水壶底部运动到水面。这些气体的热量再通过辐射散发到空间中,导致温度下降,体积减小,密度增加,在太阳引力的作用下,再回到底层。如此循环往复,形成对流。

每个对流元都在光球表面形成一个大约1000公里大小的图案,中间亮,辐射强、温度高,由上升的热气体元产生;周围暗温度低,是下降的冷气体元。这种对流元产生的亮暗结构叫做光球的米粒组织。

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我们在日食过程中看到的白光是日冕层,这些白光来自电子散射发出。由于太阳有磁场,所以带电粒子都会被束缚在磁力线周围旋转,电子散射的强度正比于散射体的密度。因此,我们看到的白光强度变化可以反映日冕层的密度结构。

目前,直接测量日冕磁场的手段还不成熟,只能利用测量到的光球的磁场分布作为边界条件,在一定的假设条件下,用电动力学方程得到。计算表明,太阳南北极发出的磁力线是开放的,中低纬度发出的磁力线是闭合的。两极处开放的磁力线区域叫做冕洞。

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用X射线空间望远镜的观测表明,太阳两极位置的辐射强度极低。太阳风就是来自这里。这说明,尽管太阳向外膨胀,但太阳风并不是从太阳表面均匀向外发射,在低纬度区域,太阳大气被太阳磁场束缚住,只有在高纬度和两极附近,带电粒子才可以沿着磁力线跑出来形成太阳风。

之所以判定日冕层释放的太阳风有几十亿度的高温是因为,科学家们利用望远镜加分光镜发现了日冕层辐射出的射线中包含了铁元素11次电离的离子所发出的一个特征谱线,其波长为1242埃。属于极紫外线。由于铁原子要发出这样的谱线,必须要达到140万K的高温,因此,这条谱线说明了,其温度是百万K以上的高温。

深度科普:太阳风,空间气象的幕后推手

70年前,德国科学家比尔曼通过对彗星的观测,预言了太阳风的存在。他认为,太阳向外连续辐射等离子体流,慧尾是被等离子体流携带而形成。后来空间探测表明这一预言是正确的,太阳发射出的等离子体射流被命名为太阳风。

太阳风与地球磁场发生相互作用,地球磁层就是被太阳风压缩的地球磁层所占据的空间。由于地球的磁层内也存在着等离子体,而等离子体在磁场中的运动又产生电场并导致能量输运,这些能量又会在磁层中耗散掉。这些就是磁层物理的研究课题。

深度科普:太阳风,空间气象的幕后推手

结束语

关于太阳风本文就介绍到这里了,如果您想在地面上感受太阳风和地球磁层的活动就需要看极光;如果您想在地面上看太阳风的存在就看彗星的等离子彗尾;要感受太阳大气和太阳风的起源就看日全食外面的白色亮环。

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