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等离子体和太阳风

已有 14502 次阅读 2016-9-13 09:11 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

等离子体和太阳风

太阳的活动情形与人类在地球上之生存环境息息相关,因此,太阳自然地成为人类航天计划最重要的探索目标。20 世纪 90 年代,以 UlyssesSOHO 等为代表的一系列太空飞船的任务,还有最近的欧洲空间局与中国科学院合作的“SMILE”计划,目标都是直指太阳以及地球附近空间的辐射带。

俗话说得好:“万物生长靠太阳”,太阳发光又发热,供给地球上一切生命所需的热量和能量。然而,太阳除了向四周辐射光和热之外,还有一个不广为人知的向宇宙空间“发威”方式,叫做“太阳风”。

从彗星尾巴的方向说起

人类对太阳风的最初认识,开始于对彗星尾巴形状和方向的观察,虽然古人当时并不知道有什么“太阳风”,只是根据观测资料,将慧尾的方向与太阳所在的位置联系起来。《晋书·天文志》中指出:“彗体无光,傅日而为光,故夕见则东指,晨见则西指。在日南北,皆随日光而指。”。

1:彗星

古代的观测手段有限,用肉眼就能看到的大彗星毕竟是少数,并且,彗星周期很长,从几十年到百万年都有。比如说,人类了解最多的哈雷彗星,属于“短周期彗星”,周期也有76年。因此,古人们将这些多年难得来访一次的“稀客”看着是不祥之兆,称为扫帚星。实际上,现代天文观测资料告诉我们,太阳系中彗星的数目可以说是多到“不计其数”,到20168月为止,有记载的彗星便已经有39401

美丽的彗星总是拖着长长的尾巴,彗星的直径仅几十公里,但彗尾却长达几千公里。一般而言,彗尾不止一条,比如图1b所示的2006年发现的麥克諾特彗星,多条彗尾如孔雀开屏一样呈扇形张开在天空中,异常地壮观和美丽。拥有两条彗尾的彗星十分普遍,其基本成因也有科学的解释:一条叫尘埃尾,另一条叫做离子尾,见图1的示意图a(金黄色的是尘埃尾,蓝色的是离子尾)。尘埃尾是由跟随彗核一同运动的尘埃物质(气体、沙粒、小石块)反射太阳光而形成,因此,它通常呈现黄色或者红色,尘埃尾的方向除了与太阳位置有关以外,还与彗星自身的运动速度和方向有关,也正是因为彗核的轨道运动对周围尘埃物质的“拖曳”作用,尘埃尾有时看起来是弯曲的弧形。

离子尾的形成与“太阳风”有关,它永远都指向背向太阳的方向。乍一听有点不可思议,地球上会刮风,是因为地球上有大气,太阳怎么也会“刮风”呢?难道太阳上也有“大气”?确实如此,只不过与地球大气的成分不完全一样而已,太阳风来自于太阳大气的最外层,即日冕,其主要成分是等离子体。所以,太阳刮出来的是“等离子风”。

太阳风中包含着大量的带电粒子,吹向四方时运动电荷形成磁场,到达彗星附近时与彗核周围的磁场相互作用而发光。因此,离子尾跟随的是太阳风的磁力线,而不是彗星轨道的路径,所以总是指向背对太阳的方向。并且,太阳风的速度非常快,远远大于彗星的运动速度,因此离子尾看起来不像尘埃尾那样呈现出弯曲美妙的弧形,却总是笔直地硬邦邦地向外延伸出去。离子气体中含有光谱为蓝色的CO+离子,因而使得大多数离子尾呈蓝色。    

起初,科学家们用来自太阳辐射的“光压说”来解释彗星的离子尾,但计算表明光辐射产生不了这么大的压力。1958年,尤金·派克(Parker)认为日冕外层的太阳大气会逃逸到空间中去,因此而预言应该有一股强劲的等离子体风从太阳不间断地吹出来,充斥了行星间的空间。但当时的大多数科学家反对派克的太阳风假说,他的观点遭嘲笑,论文被拒稿。

直到1960年代人造卫星上天后,强有力的观测事实才证实了太阳风的存在。

太阳风的来龙去脉

太阳的辐射能来源于核心的核聚变,核心温度高达15,000,000K,然后到太阳表面处,温度下降到5800K左右。太阳表面的上方,便是大概可分为3层的太阳大气:紧靠着太阳表面的薄薄的光球层(500公里左右)、然后是1500公里左右色球层、最外层的日冕可以延伸到几个太阳直径甚至更远。但日冕区的亮度却仅为光球层的百万分之一,只有在日全食的时候才便于观测。

按照常理来分析,似乎距离太阳核心越远的大气分层,温度应该越低,但事实却不是如此。从5800K度的光球层开始,色球层的温度起初略有下降,但后来急剧升高到27000K度左右,到了日冕区域,温度甚至达到了几百万摄氏度的高温,见图2a

比较地球的大气而言,太阳大气的物质密度要稀薄得多,最密的光球层,密度也大约只有地球(海平面)大气密度的0.1%,色球和日冕的密度就更为稀疏了。我们在地球上看到的太阳,是一团闪亮的金黄色火球,那基本上是来自于光球层的可见光辐射。产生于高温日冕层的太阳风主要辐射的是带电粒子流。


2:太阳大气

日冕的高温是如何形成的?这仍然是困惑物理学家的一个未解之谜。但温度极高的事实却是被光谱分析以及各种间接观测手段所证实了的。太阳的主要成分是氢和氦,在几百万度的高温下,氢原子和氦原子中的电子都纷纷从原子核的束缚中“解放”出来,成为自由电子,与带正电的离子混合在一起作高速运动,这种混合物被称之为“等离子体”。等离子体是物质的第4态,因为它不同于原来意义上的物质三态:固体、液体、气体。图2b显示了各种等离子体得以存在的密度及温度范围。

等离子体的形态类似气体,但是由离子及电子组成的,它们广泛存在于宇宙中,是宇宙中丰度最高的物质形态。其实,在我们的日常生活中也经常见到它们,比如说火焰、霓虹灯、氢弹等。当今世界各国企图攻克的受控热核聚变反应,其研究对象便是等离子体。

日冕跟火焰的密度相近,但是温度却要高出3-4个数量级。所以,太阳就像是一团悬浮在宇宙中的熊熊燃烧的超大火焰。地面上的空气流动能形成风,在日冕的高温等离子体中,不停地有某些摆脱太阳引力的高速粒子向外流出,形成“太阳风”。

地球磁场随“风”起舞

比较太阳的光辐射而言,太阳风的能量是很小的,大约只有光辐射能量的十亿分之一。然而,太阳大火吹出来的“等离子风”对地球的作用却非同小可。

等离子体是由质子、α粒子、少数重离子和电子流组成,太阳风将这些带电粒子以300800公里/秒的速度“刮”到地球,这些速度大大超过空气中声速的粒子产生的磁场效应使得地球磁场随风而舞。


3:太阳风和地球

幸好有了地球的磁场,为我们抵挡住太阳风的袭击,否则地球人就惨了。在图3a的示意图中,从左上方日冕处刮向地球的太阳风,改变了地球磁场的形状,看起来似乎是将地球附近的磁力线“刮”向了后方,而新形成的地球外围磁层就像一把遮阳大伞,顶住了太阳风,为地球撑起了一把保护伞。虽然不可见的两股电磁力在地球上方无声地激烈战斗着,但这把地磁大伞构成了一片安全的空腔,保护着地面上包括人类在内的生命体不受高速带电粒子的危害,也保护着空间基础设施,如卫星等能正常工作。

光球层的光辐射只需要8分钟就能抵达地球,太阳风中的带电粒子却需要经过40小时左右的飞行。这些粒子到达地球后,被磁场“大伞”阻挡在外,只好绕道而行。然而,“风”有风的特性,有时轻柔飘渺,有时风云突变。太阳风也是如此,太阳磁场的活动性大约以11年的周期变化,此外还有突发事件,比如说当太阳突然剧烈活动时,太阳风也就来得迅速刮得猛,大伞百密一疏防不胜防,总会有漏洞,免不了闯进一些“不法分子”,这些随风飘来的高能离子,沿着地球附近的磁力线侵入地球极区,与极区上空的大气层作用放电,产生壮观绚丽的极光,见图3b

3b可见,极光五彩缤纷,呈现各种颜色,那是因为带电粒子进入不同层次的大气层时,碰到不同的原子(主要是氧和氮),放电颜色取决于在什么高度碰到了哪种原子。变化的太阳风,碰到了变化的地球风,两风相斗,互相作用,使得产生的极光“随风舞动”,美丽玄妙,变幻无穷。

北极光和南极光固然使人类着迷,吸引人们不远万里到极地观赏这一大奇观。但是,在这种太阳的非常时期,科学家、工程师、还有某些行业的特别技术人员们,往往正在为太阳风带给地球的一些其它影响而忙碌:也许是某种局部的破壞性灾难;也许是使得气温增高气候反常;也许是卫星失去控制;也许是使电力网瘫痪,互联网失效,通信中断,甚至于还可能对人体引起一些说不清的效应,诸如身体疾病增多,心理情绪波动等等。

科学家们也借此难得的机会研究太阳和太阳风。实际上,无论正常期还是非常期,科学家们一直不停止地研究太阳风。特别是进入航天时代以来,美国宇航局及其它国家发射了多个监测太阳的航天器:如1980年的“太阳峰年卫星”,1990年的“尤利西斯”,1995年的“轨道太阳望远镜”,2006年的“日地关系天文台”等等。

19893132:44,魁北克水力发电厂的控制系统突然崩溃2,来路不明的异常高压导致电力网短路,致使大面积电网瘫痪长达9小时;同时,自由欧洲电台的信号受到干扰。冷战时期的西方政府分外敏感,一开始有人担心这可能是来自前苏联的第一波核武器攻击?但之后立刻发现一些相关现象:绕极轨道的卫星失去控制;气象卫星的通信中断;日本也发生卫星失控现象,更重要的是,几乎同时,在极区产生了强烈的极光,连远在美国南方的德州都能看见。证据表明,这些异常现象是来自于大约3天前太阳发生的一次“磁暴”,太阳风把这次“爆炸”的效应传递到了地球上。

之后还有多次观察到的“磁暴”引发的地球灾难:

19898月,另一个磁暴影响到多伦多股票市场的微芯片,导致交易;1991429日,強磁暴破坏美国缅因州一核电站;1994120-21日,磁暴使加拿大两个通讯卫星发生故障;1998519日,美国和德国都有通讯卫星发生故障……

哪儿是太阳系的疆界?

2012825日,美国地球物理联盟宣布旅行者”1号探测器正式离开太阳系的“边界”,进入星际空间。但是,太阳系的边界在哪儿?这个问题不是那么容易回答的。首先要看你如何定义这个“边界”。如果用一个恒星的“势力范围”来界定它的疆界的话,也至少有三种明显的方式:1. 从它的引力所及的范围;2. 光辐射所及的范围;3. 本篇文章所介绍的太阳风所及的范围。

辐射作用和引力作用都遵从平方反比率按距离的增长而下降,可以连续变化直到无穷,并没有一个清楚的边界。阳光照亮的范围显然不宜用来定义“边界”,因为太阳的亮度不会在某处嘎然而止。太阳能不能被看见?这个概念包含了太多主观的因素,或者说取决于测量技术的发展。至于引力范围,也是个相当模糊的界限。有人认为太阳引力的边界就是太阳引力不再占主导地位的时候,也许可以把太阳系边界定义到绕日旋转的最远的天体?但是,考察一下行星及彗星发现的历史,就觉得这不是一个合适的方法。

过去曾经认为冥王星是太阳系中最远的行星,但后来不停地陆续发现了许多矮行星及其它小天体,挑战冥王星的行星地位,使它于2006年被取消了太阳系行星的资格。此外,还有难以计数的彗星,实际上,天文学家认为,在冥王星之外远离太阳的边沿区域,有可能存在一个长周期彗星的巨大“仓库”:叫做奥尔特云,这片模糊的未知地带可能延伸到距太阳约2光年之遥。

因此,天体物理学家最后将太阳风的大概范围定义为太阳系的“边界”。

与太阳风相类似,宇宙中的其它恒星也都会吹出自己的“等离子风”。这些看不见的磁性“星风”,在宇宙空间中互相纠缠搏斗抗衡,其道理和图3a所示的地球磁场抵抗太阳风的情形也差不多,不过太阳距离别的恒星比较远,它的太阳风变形少,看起来就像是在宇宙空间中吹出了一个“大泡泡”,见图4a。别的恒星风的作用,在图中笼统用星际媒质形成的“宇宙风”来代表,宇宙风的方向,与太阳运动的方向相反。


4:太阳系的边界

在太阳风不能继续推动星际媒质的地方称之为日球层顶(heliopause),这是太阳风和“星际宇宙风”之间抗衡而产生的“驻点”,通常可以认为是太阳系的边界。虽然日球层顶也无精确固定的数值,但比较起用辐射亮度或者引力来界定的边界,还是要明确和清楚多了。

对旅行者1号而言,当它接近和通过太阳驻点时,可以通过探测到如下三种情况来判断到达了太阳系边界:太阳风风力急跌,宇宙射线水平飙升,周围磁场大小和方向的改变。

太阳和太阳风对人类如此重要,天体物理学家们当然要利用先进的现代航天技术,来对太阳活动得到更多的数据,从而验证他们的理论,减少太阳风的危害。下一篇中,我们将代表性地介绍一个太阳探测器:“尤利西斯”。

参考文献:

1http://www.minorplanetcenter.net/

2】维基百科(第22太阳周期):https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AC%AC22%E5%A4%AA%E9%99%BD%E9%80%B1%E6%9C%9F

本文是同步发表在微信号“知识分子”和“太空联盟”系列文章《星星背后的物理》之8




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