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第5章 太阳风

太阳风指的是从太阳大气最外层的日冕,向空间持续抛射出来的物质粒子流。很早以前,人们看到彗星的尾巴老是背着太阳,猜想这大概是从太阳“吹”出来的某种物质造成的。1958年,通过人造卫星上的粒子探测器,探测到了太阳上有微粒流发出。美国科学家帕克给它取名为“太阳风”。

太阳风使彗星形成长长的向着反太阳方向延伸的彗尾。当人们欣赏美丽的彗尾的时候就可以想象太阳风的存在。在地球高纬区看到的多彩的极光现象,也是进入地球磁场的太阳风粒子经加速后在地球大气中沉降产生的。空间飞船的直接观测表明太阳风主要由质子和电子组成,但有少量氦核及微量重离子成分。据推测,在约100个天文单位(天文单位=日地平均距离=1.5×108千米)以外,太阳风将与起源于银河系的星际气体交界,太阳风占据的空间范围称为“日球层”。研究太阳风的物理过程及其规律已成为空间物理学中一个新的学科分支——日球层物理学。

太阳风

太阳风是一种连续存在、来自太阳并以超音速运动的等离子体流。太阳风的存在,给我们研究太阳以及太阳与地球的关系提供了方便。为了能够清楚地表述太阳风是怎样形成的,我们先来了解一下太阳大气的分层情况。

一般情况下,我们把太阳大气分为六层,由内往外依次命名为:日核,辐射区,对流层,光球,色球,日冕。日核的半径占太阳半径的四分之一左右,它集中了太阳质量的大部分,并且是太阳99%以上的能量的发生地。光球是我们平常所见的明亮的太阳圆面,太阳的可见光全部是由光球面发出的。

而日冕位于太阳的最外层,属于太阳的外层大气。太阳风就是在这里形成并发射出去的。

日冕层上的太阳风

通过人造卫星和宇宙空间探测器拍摄的照片,我们可以发现在日冕上长期存在着一些长条形的大尺度的黑暗区域。这些区域的X射线强度比其他区域要低得多,从表观上看就像日冕上的一些洞,我们形象地称之为冕洞。

冕洞

冕洞是太阳磁场的开放区域,这里的磁力线向宇宙空间扩散,大量的等离子体顺着磁力线跑出去,形成高速运动的粒子流。粒子流在冕洞底部速度为每秒16km左右,当到达地球轨道附近时,速度可达每秒800千米以上。这种高速运动的等离子体流也就是我们所说的太阳风。

太阳风从冕洞喷发而出后,夹带着被裹挟在其中的太阳磁场向四周迅速吹散。现在可以肯定,太阳风至少可以吹遍整个太阳系。

当太阳风到达地球附近时,与地球的偶极磁场发生作用,并把地球磁场的磁力线吹得向后弯曲。但是地磁场的磁压阻滞了等离子体流的运动,使得太阳风不能侵入地球大气而绕过地磁场继续向前运动。于是形成一个空腔,地磁场就被包含在这个空腔里。此时的地磁场外形就像一个一头大一头小的蛋状物。

地球磁场

但是,当太阳出现突发性的剧烈活动时,情况会有所变化。此时太阳风中的高能离子会增多,这些高能离子能够沿着磁力线侵入地球的极区;并在地球两极的上层大气中放电,产生绚丽壮观的极光。

太阳风的发现是20世纪空间探测的重要发现之一。经过40多年的研究,对太阳风的物理性质有了基本了解,但是至今人们仍然不清楚太阳风是怎样起源和怎样加速的。很明显,太阳大气通过太阳风的形式不断地损耗其质量和能量。可是太阳风是怎样得到等离子体的供应及能量的供应的问题是空间物理学领域中经长期研究仍悬而未决的一大基本课题。

太阳巨大的冠状喷出物为太阳风

太阳风构成人类活动的外层空间环境。太阳大气的扰动通过太阳风传到地球,通过与地球磁场的相互作用,有时会引起一系列影响人类活动的事件。例如通讯卫星失灵、高纬区电网失效,及短波通讯、长波导航质量下降等。太阳风的变化还可能会引起气象和气候的变化。由于21世纪人类已进一步利用地球的外层空间环境,空间环境预报(或叫“空间天气”预报),这对搞清楚太阳风的起源及其加热和加速机制对于建立有效的空间天气预报体系有着十分重要的意义。宇宙中,许多恒星,以至许多星系都会向外发出它们自己的“风”,导致其物质的损失并影响其周围的星际空间或星系际空间。太阳风是唯一能直接观测到的恒星风。对太阳风起源和加速机制的研究必然对这一普遍的“风”的现象——宇宙等离子体的认识有着至关重要的影响。

国际日地物理学术计划近期发射的观测太阳及太阳风的飞船有“太阳探针”、“太阳水星观测站”、“先进成分探测器”及“空间太阳望远镜”。上述设计中的四个重要飞行计划如果能付诸实施,太阳风的起源和加速问题的研究会被向前推进一大步。由于对太阳大气的高分辨率的观测及对近日太阳风甚至对日冕的直接观测都是一些昂贵的空间飞行项目,国际合作在这一领域内显得十分重要。

强劲的太阳风“吹”向地球的时候,会对地球产生一系列的影响:

1.引起地球磁场的变化。强大的太阳风能够破坏原来条形磁铁式的磁场,将它压扁而不对称,形成一个固定的区域——磁层。磁层的外形像一只头朝太阳的“蝉”,其“尾部”拖得很长很长。

2.太阳风的带电粒子流可以激发地球上南北极及其附近上空的空气分子和原子。这些微粒受激后,能发出多种形态的极光。巨大的冲击还能强烈地扭曲磁场,产生被称为“杀手”的电子湍流。这种电子湍流不但能钻进卫星内部造成永久性破坏,还能切断变电器及电力传送设施,造成地面电力系统全面崩溃。太阳风的带电粒子流还会使地球上空电离层受到干扰,引起磁爆,给无线电短波通讯、电视、航空和航海事业带来不利影响。

3.引发磁层亚暴。在磁层亚暴期间,距离地球表面36000千米的高空处可能会产生强烈的真空放电和高压电弧,给同步轨道上的卫星带来灾难,甚至导致卫星殒灭。1998年5月发生的一次太阳风使美国发射的一颗通讯卫星失灵,导致美国4000万个寻呼用户无法收到信息。

此外,太阳风对地球上的天气和气候的异常也有一定的影响。

1楼昵称:开心果

太阳风是什么物质组成的?

2楼昵称:妞妞

太阳的外层大气、太阳日冕、持续不断地向外膨胀从而形成由太阳径向向外的等离子体流,通常被称为“太阳风”。

3楼昵称:豆豆

太阳风和大气产生的风不是一回事吧?那太阳风会对气流流动有影响吗?如果垂直太阳风流动方向上放置一个沿直径旋转的导线圆环,圆环内会有电流吗?

4楼昵称:草根

太阳风是一种天体现象,是太阳释放能量的一种形式,它和一般的风是不同的,它对气流有一定的影响,但不大。若放一圆环,它应该有电流。

美国空中拦截“起源”号太阳探测飞船碟形太空舱的行动失败后,人们都担心舱中所载的太阳风粒子会遗失。美国宇航局科学家仔细检查了2004年9月8日在美国犹他州坠毁的太空舱内部,发现其带回地球的太阳风粒子有一些仍然完好保存着,原来计划的很多研究项目仍能进行。

科学家对这个太空舱充满很大期待,因为它保存着“起源”号太阳探测飞船过去884天收集的太阳风粒子。这将是自20世纪美国的“阿波罗”号和前苏联的“月球”号飞船带回月球岩石标本以来,科学家采集到的第一批太空样本。科学家希望借助这些外星物质研究太阳系的起源和演化,加深对太阳系行星形成早期的理解。

当“起源”号飞船与装有太阳风粒子的碟形太空舱按计划分离进入地球大气层时,美国宇航局原本计划在犹他州沙漠上空拦截这个太空舱,以免太空舱着陆时剧烈的碰撞损害其所携带的外星物质。但在下降过程中太空舱的降落伞没有打开,导致拦截行动失败。

这个太空舱失控后,在空中以约每小时320千米的速度翻滚而下,一半撞入地面,并像蚌壳一样裂开,使舱里保存的太阳风粒子面临受到污染的危险。据介绍,这个太空舱里还有一个内层罐,也裂了一条缝,罐里有5个厚度不同的电磁盘,上面保存着“起源”号飞船收集的太阳风粒子。这个内层罐已经被飞机送到了附近陆军机场的密室,科学家们就在那里进行磁盘的抢救工作。