太陽——不按套路出牌的火球_風聞

原創：牧夫天文

原作：饒世豪

校對：牧夫校對組

編排：饒世豪

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

在一開始，先給大家出一道謎語：

誰永遠長不大？（打一天文名詞）（提示：該名詞在文中出現過）

答案在文末

    嚴寒的冬天裏，暖爐是很多家庭配備的取暖利器，作為熱源，越靠近暖爐越暖和。

    太陽卻不同，太陽的能量來自於核心區的核聚變反應。核心區外依次有輻射層，對流層，光球層，色球層，過渡區，日冕。

太陽主要結構示意圖

1.核心區；2.輻射區；3.對流區；4.光球層；5.色球層；6.日冕；

7.太陽黑子；8.米粒組織；9.日珥.

    然而，光球層表面的温度僅有5770K（約5500℃），日冕温度卻達到了百萬攝氏度。也就是説，靠近熱源核心區的光球層温度還遠遠不及更遠離的日冕，這被稱為日冕加熱問題。

太陽大氣温度分佈

橫軸表示距離光球層表面的高度，縱軸表示開式温度

    值得一提的是，這種反常的温度分層機制與火焰不同。火焰的外焰比內焰更熱，是因為外焰中的可燃物接觸到的氧氣更多，燃燒更充分，而日冕卻不涉及到燃燒。也就是説，一個是化學過程，另一個更多是物理機制導致。

    我們先從日冕的研究歷史説起：

日冕研究歷史

    人類第一次看到日冕是某次日全食時，月球遮住了太陽內層大氣的光芒，相對較暗的外層大氣，也就是日冕，在黑暗的天空背景下顯現出來。但直到18世紀，人們才確信這種冕狀物不屬於月球，而是屬於太陽。

日全食時，肉眼可見的日冕物質

    後來，科學家在上面的譜線中證認到氦元素（He）的譜線，當時的人們尚未在地球發現這一元素，認為這是太陽特有的元素，取名為’helium’，‘helio-‘是表示太陽的前綴，氦元素是唯一一個在太陽上的發現先於在地球上的元素。

氦元素

    1930年，科學家發明了日冕儀，利用大小合適的圓盤恰好擋住太陽光球層的光線，自此，凡是晴天都能夠觀測到日冕，大大加速了日冕的研究。

SOHO在日冕儀下拍攝的一次日冕物質拋射

    再到後來，科學家在太陽譜線中證認出了Fe X（鐵十）和Fe XIV（鐵十四）譜線。這兩條譜線分別對應於9次和13次電離的鐵原子，鐵要達到如此高的電離能級，需要極高的温度，進一步又得到了日冕温度遠高於光球層的結論。

    在1977年的一篇文章中，科學家估算出了將日冕加熱到百萬攝氏度並一直維持所需要的能量，約為200W/m2。

    日冕究竟如何被加熱並維持在如此的高温，這個問題是太陽物理學多年以來尚未解決的難題，曾於2012年被Science雜誌列入天文學八大未解之謎，此處列舉了三種較為典型的理論模型：

01

波加熱（Wave Heating）

    不同於地球的大氣，太陽大氣是由等離子體組成，除了聲波外，還存在磁聲波和阿爾芬波等，波有可能攜帶能量到日冕並將自身能量轉化為熱能，從而維持日冕的高温。

    對於磁聲波來説，因為色球層壓力很低，波很容易在此被反射回光球層，磁聲波很難將能量攜帶至更高層的日冕中。

    對於阿爾芬波，其確實能攜帶如此多的能量到達日冕，但在日冕中並不能如此高效率地將能量轉化為熱能。

    直到上世紀90年代，SOHO探測器才第一次探測到了到達日冕的波，這是週期約為1000s（1Hz）的磁聲波，但跟進的研究表明它只達到了維持日冕高温所需能量的10%。

SOHO衞星

    2007年的另一項研究首次探測到了阿爾芬波朝着日冕傳播，但其攜帶的能量約為0.01W/m2，對於之前估計的200W/m2，簡直是九牛一毛。

02

納耀斑（Nano Flares）

    因為太陽磁場的作用，日冕區域會感生出電流，當發生一種叫做“磁重聯”的過程後，電流片坍縮，釋放出大量的能量，形成耀斑。

    再因為太陽表面的米粒組織（米粒組織是光球層上密集分佈的對流元，尺度大概在1000公里左右）的作用，日冕的磁場也會與米粒組織對應形成大小相當的單元。

米粒組織（Granules）和地球大小對比

    基於此，這些“小”的磁場元會產生一系列小型爆發，稱為納耀斑，首次提出“太陽風”概念的天文學家尤金·帕克認為這些納耀斑足夠提供加熱日冕的能量。

尤金·帕克（Eugene Parker）

    但是，TRACE和SOHO衞星的觀測都表明，日冕中的納耀斑數量明顯不足，難以達到加熱日冕的程度。

03

針狀物（Spicules）

    上述的兩種加熱機制都比較抽象，但這一種機制十分容易理解。相信很多人看過電影《流浪地球》，電影中有一種叫做“行星發動機”的裝置，它們利用核反應提供能量，向特定方向噴射高温物質以提供反推力。

《流浪地球》中的行星發動機

    針狀物看上去很像地球發動機同時噴射的場景，針狀物一般佔太陽表面面積的1%，向上噴射相對高温高密度的物質，一般能夠達到10000km的高度，壽命大約10分鐘，幾乎任意時刻，太陽表面都有數以百萬計的針狀物同時存在。

針狀物

    它加熱日冕類似於向冷水中注入熱水，冷水的温度會升高。

    到了2019年，北京大學的兩位教授通過觀測揭示了針狀物形成的一種機制，以及針狀物增強區域對日冕物質明顯的加熱跡象。

    關於日冕加熱機制的研究還在繼續，關於以上三種機制，讀者們覺得那種更靠譜呢？

參考：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/xqPAdUsl1eyjEDg81Zu_4Q

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_corona

[3]http://www.ckxxbao.com/gushi/051330222013.html

[4]Mass and energy flow in the solar chromosphere and corona , Withbroe, G. L. & Noyes, R. W. , 1977ARA&A , p363-387.

[5]Alfvén Waves in the Solar Corona , S. Tomczyk et al. Science , Vol317 , p1192-1196

[6]Two dynamical models for solar spicules , Paul Lorrain and Serge Koutchmy , Solar Physics, Volume 165, Issue 1, pp.115-137

[7]The Origins of Hot Plasma in the Solar Corona , B. De Pontieu et al. Science Vol331 , p55-58

[8]Generation of solar spicules and subsequent atmospheric heating , Tanmoy Samanta et al. Science Vol366 , p890–894

『天文時刻』 牧夫出品

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Credit：星球設計師Rofix

    人出生在多永河的源頭，同時誕生的還有一塊浮石。多永河很慢，慢到浮石需要花數十年才會抵達盡頭，那時人也會死去。雖然浮石只有硬幣般大小，但每個人都熟知自己浮石的樣子，因為十二歲時，父母會領着自己到多永河岸，看代表自己生命的石頭。河水清澈幽藍，但又炙熱滾燙。孩童只能站在父母身後觀察。有人會再也不顧浮石去生活，也有人在人生中不斷返回河岸看浮石漂到哪了，如果夏天河水湍急，他們會非常焦慮，擔心自己的壽命迅速地流失。

謎底：日全食。

因為日全食不會滿月啊哈哈哈哈