如何給太陽做「天氣預報」?這篇文章講清楚了!

2020-12-01 騰訊網

騰訊太空 文/王曌

類似於地球的風雨雷電，太陽也有自己的「天氣變化」。每隔11年左右，太陽向外釋放的能量就會達到一個巔峰，在近地空間引起地磁暴、電離層擾動等現象，影響人類生活和地球氣候變化。因此，太陽物理學家們希望能預報太陽活動，在太陽劇烈活動前做好應對。

要想了解太陽的活動，一個重要的觀測對象就是太陽風。去年8月，美國國家航空航天局（NASA）發射了「帕克」太陽探測器，在超近距離下觀測了太陽風，首批研究成果被總結成4篇論文，於今年12月4日在頂級科學期刊《自然》（Nature）雜誌發表。來看看，太陽上的天氣什麼樣？

01

什麼是太陽風？

不同於地球上的風，太陽風僅是一種形象的叫法。美國物理學家尤金·帕克（Eugene Parker）最先根據理論預言太陽會噴出帶電粒子流，並將其稱為太陽風。到1959年，前蘇聯人造衛星「月球一號」首次觀測證實了太陽風的存在。

為理解太陽風是怎樣形成的，首先需要了解太陽大氣的分層情況。如圖2所示，太陽的結構分為六層，從內到外依次是：日核、輻射區、對流層、光球層、色球層和日冕。最內的三層構成了太陽的內部結構，最外的三層則組成了太陽大氣。其中，人類用肉眼看到的太陽表面就是光球層，這裡發出的可見光最強；只有發生日全食，日面可見光被月球遮擋時，人類才可以直接看到日冕，這裡就是太陽風誕生的地方。

圖1: 太陽結構示意圖。圖片來源：Universityof Oregon

日冕是一片由稀薄的等離子體構成的厚達幾百萬公裡的廣袤區域，其溫度可高達110萬攝氏度，比光球層高3個數量級，其密度比光球層低7個數量級。

日冕並不是均勻的，通過X射線或極紫外線波段拍攝的照片，可以看到日冕中存在著大片電磁輻射、溫度和密度都比周圍小得多的神秘暗區，從表觀上看就像日冕上的一些洞，科學家們將其形象的稱之為冕洞。

冕洞是太陽磁場的開放區域，這裡的磁力線一端紮根在太陽表面，另一端則向宇宙空間擴散，大量的等離子體順著磁力線跑出去，形成高速運動的以質子和粒子為主的帶電粒子流，席捲整個太陽系。這種高速運動的帶電粒子流也就是我們所說的太陽風。

02

當太陽風吹向地球

太陽風到達地球軌道附近時速度卻可達每秒數百公裡以上，約是地表八級大風的兩萬倍。這麼強的風，為什麼我們沒有感覺到它的存在呢？首先，太陽風非常「稀薄」，粒子密度較小，它在地球附近產生的動壓遠遠小於地表的微風；其次，地磁場也會幫助我們「屏蔽」絕大部分的太陽風。在地球的兩極，少量「漏網」的高能帶電粒子會沿著地球磁力線衝向地球，它們在兩極的上層大氣中放電，產生絢麗壯觀的極光。

圖2 :極地地區的極光。

但有的時候，太陽上也會發生「風暴」，進而波及地球。在太陽活動劇烈時期，日冕上大尺度的磁場平衡會遭到破壞，發生日冕物質拋射（coronal mass ejection，CMS）。這時候的太陽風具有更高的風速、更高的粒子密度，以及持續的南向行星際磁場，從而可在近地空間引發地磁暴和電離層擾動，造成通訊衛星失靈、高緯區電網失效和短波通訊、長波導航質量下降，對人類的日常生活、科研觀測甚至軍事行動造成幹擾，甚至還可能影響地球氣候變化。

如果可以提前知曉太陽活動變化，就可以及時地關閉電網和衛星系統，把損失降到最小。而為了更好地預報太陽活動，物理學家們首先要搞清楚太陽風的起源及其加熱、加速機制。

03

到離太陽最近的地方去

2018年8月12日，NASA在美國卡納維拉爾角空軍基地發射了耗資15億美元的「帕克」太陽探測器（Parker Solar Probe），對太陽進行前所未有的近距離觀察。目前，「帕克」已利用尖端的科學儀器對太陽進行了3次近距離觀測。

圖3: 帕克探測器繞太陽運動概念圖

慢太陽風的起源是太陽物理研究中的一個重要問題。此前學界已確認速度在每秒450 ~ 850公裡的快速太陽風產生于冕洞之中，然而對於速度在每秒250 ~ 450公裡的慢速太陽風的來源，尚未形成統一意見。有些學者認為快速太陽風產生于冕洞中心，慢速太陽風產生于冕洞邊緣；也有些學者認為慢速太陽風產生於閉合磁力線和開放磁力線的角色轉換。而「帕克」的測量數據表明，慢速太陽風可能是從太陽赤道附近的一個小冕洞中流出的[1]。

冕洞底部的等離子體流速僅為每秒16公裡左右，它們是怎麼被加速到超音速並逃離太陽磁場的禁錮成為太陽風的？「帕克」的測量數據表明這可能是因為太陽磁場的反轉而與之對應的阿爾芬波動。當太陽風沿太陽磁場線向外擴散時，若磁場線偶爾會連續出現180度的快速反轉，太陽風會在數秒至數個小時內呈現波動的運動特徵 [2]。

圖4:帕克探測器觀測到太陽磁場線反轉概念圖

此外，「帕克」的觀測結果還部分驗證了對太陽周圍無塵區的猜想。科學家們很早就觀測到太空中有很多塵埃，這些塵埃是小行星或彗星的殘骸。有理論預言在靠近太陽的地方，塵埃會被熱浪蒸發，從而在太陽周圍形成一個無塵區域，但它從未被觀測到。「帕克」傳回的圖像顯示，在距太陽約700萬英裡的地方塵埃開始變少，這種減少的趨勢一直持續到當前的探測極限（距太陽約400萬英裡處）[3]。科學家們估計若無塵區真的存在的話，PSP最早可在2020年探測到它。

圖7: 帕克探測器觀測到的宇宙塵埃概念圖

04

PSP的下一步計劃

為什麼要在如此靠近太陽的地方研究太陽風呢？加州大學伯克利分校的等離子體物理學家斯圖爾特·貝爾（Stuart Bale）說：「雖然科學家們也可以在太陽風席捲地球時研究它，但這樣做就像是在瀑布的下遊研究瀑布的源頭。想要知道瀑布的源頭在哪、長什麼樣，只有一點點溯流而上。」

直到2025年任務結束時，「帕克」還將對太陽進行24次超近距離觀測，最近距離將只有目前的三分之一。相信未來還會有更豐富、更讓人激動的觀測數據傳來，幫助我們更好地預測太陽活動。

審校：李會超博士，哈工大（深圳）

參考來源：

[1]Highlystructured slow solar wind emerging from an equatorial coronal hole, Nature(2019)

[2]Alfvénicvelocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind, Nature (2019)

[3]Probingthe energetic particle environment near the Sun, Nature (2019)

[4]Near-Sunobservations of an F-corona decrease and K-corona fine structure, Nature (2019)

[5] Parker Solar Probetraces solar wind to its source on sun's surface: coronal holes,https://phys.org/news/2019-12-parker-solar-probe-source-sun.html

[7] NASA's Parker SolarProbe Sheds New Light on the Sun,https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasas-parker-solar-probe-sheds-new-light-on-the-sun

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