太阳——不按套路出牌的火球_风闻

原创：牧夫天文

原作：饶世豪

校对：牧夫校对组

编排：饶世豪

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

在一开始，先给大家出一道谜语：

谁永远长不大？（打一天文名词）（提示：该名词在文中出现过）

答案在文末

    严寒的冬天里，暖炉是很多家庭配备的取暖利器，作为热源，越靠近暖炉越暖和。

    太阳却不同，太阳的能量来自于核心区的核聚变反应。核心区外依次有辐射层，对流层，光球层，色球层，过渡区，日冕。

太阳主要结构示意图

1.核心区；2.辐射区；3.对流区；4.光球层；5.色球层；6.日冕；

7.太阳黑子；8.米粒组织；9.日珥.

    然而，光球层表面的温度仅有5770K（约5500℃），日冕温度却达到了百万摄氏度。也就是说，靠近热源核心区的光球层温度还远远不及更远离的日冕，这被称为日冕加热问题。

太阳大气温度分布

横轴表示距离光球层表面的高度，纵轴表示开式温度

    值得一提的是，这种反常的温度分层机制与火焰不同。火焰的外焰比内焰更热，是因为外焰中的可燃物接触到的氧气更多，燃烧更充分，而日冕却不涉及到燃烧。也就是说，一个是化学过程，另一个更多是物理机制导致。

    我们先从日冕的研究历史说起：

日冕研究历史

    人类第一次看到日冕是某次日全食时，月球遮住了太阳内层大气的光芒，相对较暗的外层大气，也就是日冕，在黑暗的天空背景下显现出来。但直到18世纪，人们才确信这种冕状物不属于月球，而是属于太阳。

日全食时，肉眼可见的日冕物质

    后来，科学家在上面的谱线中证认到氦元素（He）的谱线，当时的人们尚未在地球发现这一元素，认为这是太阳特有的元素，取名为’helium’，‘helio-‘是表示太阳的前缀，氦元素是唯一一个在太阳上的发现先于在地球上的元素。

氦元素

    1930年，科学家发明了日冕仪，利用大小合适的圆盘恰好挡住太阳光球层的光线，自此，凡是晴天都能够观测到日冕，大大加速了日冕的研究。

SOHO在日冕仪下拍摄的一次日冕物质抛射

    再到后来，科学家在太阳谱线中证认出了Fe X（铁十）和Fe XIV（铁十四）谱线。这两条谱线分别对应于9次和13次电离的铁原子，铁要达到如此高的电离能级，需要极高的温度，进一步又得到了日冕温度远高于光球层的结论。

    在1977年的一篇文章中，科学家估算出了将日冕加热到百万摄氏度并一直维持所需要的能量，约为200W/m2。

    日冕究竟如何被加热并维持在如此的高温，这个问题是太阳物理学多年以来尚未解决的难题，曾于2012年被Science杂志列入天文学八大未解之谜，此处列举了三种较为典型的理论模型：

01

波加热（Wave Heating）

    不同于地球的大气，太阳大气是由等离子体组成，除了声波外，还存在磁声波和阿尔芬波等，波有可能携带能量到日冕并将自身能量转化为热能，从而维持日冕的高温。

    对于磁声波来说，因为色球层压力很低，波很容易在此被反射回光球层，磁声波很难将能量携带至更高层的日冕中。

    对于阿尔芬波，其确实能携带如此多的能量到达日冕，但在日冕中并不能如此高效率地将能量转化为热能。

    直到上世纪90年代，SOHO探测器才第一次探测到了到达日冕的波，这是周期约为1000s（1Hz）的磁声波，但跟进的研究表明它只达到了维持日冕高温所需能量的10%。

SOHO卫星

    2007年的另一项研究首次探测到了阿尔芬波朝着日冕传播，但其携带的能量约为0.01W/m2，对于之前估计的200W/m2，简直是九牛一毛。

02

纳耀斑（Nano Flares）

    因为太阳磁场的作用，日冕区域会感生出电流，当发生一种叫做“磁重联”的过程后，电流片坍缩，释放出大量的能量，形成耀斑。

    再因为太阳表面的米粒组织（米粒组织是光球层上密集分布的对流元，尺度大概在1000公里左右）的作用，日冕的磁场也会与米粒组织对应形成大小相当的单元。

米粒组织（Granules）和地球大小对比

    基于此，这些“小”的磁场元会产生一系列小型爆发，称为纳耀斑，首次提出“太阳风”概念的天文学家尤金·帕克认为这些纳耀斑足够提供加热日冕的能量。

尤金·帕克（Eugene Parker）

    但是，TRACE和SOHO卫星的观测都表明，日冕中的纳耀斑数量明显不足，难以达到加热日冕的程度。

03

针状物（Spicules）

    上述的两种加热机制都比较抽象，但这一种机制十分容易理解。相信很多人看过电影《流浪地球》，电影中有一种叫做“行星发动机”的装置，它们利用核反应提供能量，向特定方向喷射高温物质以提供反推力。

《流浪地球》中的行星发动机

    针状物看上去很像地球发动机同时喷射的场景，针状物一般占太阳表面面积的1%，向上喷射相对高温高密度的物质，一般能够达到10000km的高度，寿命大约10分钟，几乎任意时刻，太阳表面都有数以百万计的针状物同时存在。

针状物

    它加热日冕类似于向冷水中注入热水，冷水的温度会升高。

    到了2019年，北京大学的两位教授通过观测揭示了针状物形成的一种机制，以及针状物增强区域对日冕物质明显的加热迹象。

    关于日冕加热机制的研究还在继续，关于以上三种机制，读者们觉得那种更靠谱呢？

参考：

[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

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Credit：星球设计师Rofix

    人出生在多永河的源头，同时诞生的还有一块浮石。多永河很慢，慢到浮石需要花数十年才会抵达尽头，那时人也会死去。虽然浮石只有硬币般大小，但每个人都熟知自己浮石的样子，因为十二岁时，父母会领着自己到多永河岸，看代表自己生命的石头。河水清澈幽蓝，但又炙热滚烫。孩童只能站在父母身后观察。有人会再也不顾浮石去生活，也有人在人生中不断返回河岸看浮石漂到哪了，如果夏天河水湍急，他们会非常焦虑，担心自己的寿命迅速地流失。

谜底：日全食。

因为日全食不会满月啊哈哈哈哈