太阳里93万度的高温,探测器靠什么承受?_风闻
马氏体-2021-12-15 18:28
【本文由“现在我不再沉默”推荐,来自《美国航天器有史以来第一次“触摸”太阳,温度约为93万℃》评论区,标题为现在我不再沉默添加】
建议小编在文章中补充交代日冕层93万度“温度”的含义,以及帕克号为何能耐受这样的“高温”,否则并不能达到科普的效果。
我来补充一下吧:
太阳大气由内而外分为光球层、色球层和日冕层。我们看到的太阳、测量的五六千度的太阳温度是光球层温度,因为绝大部分太阳光来自光球层。色球层的温度从几千度上升到几万度,日冕层进一步上升到百万度,但由于日冕层极其稀薄(密度大概是10负12次方千克每立方米,相当于大气的10的12次方分之一),所以我们通常看不见它。日冕层温度升高的机制是天文学领域仍待破解的重大科学问题之一。
温度代表粒子运动的能量。日冕层上百万度的温度不能用我们日常理解的“环境温度”来衡量。它表示构成日冕层的粒子(主要是质子、电子和其他离子构成的等离子体)运动速度极快,每个粒子的动能很高。但由于日冕层粒子极其稀薄,所以帕克号探测器在这里碰到的粒子数量并不多。粒子碰撞所传递的总热量,即粒子数量乘以单个粒子能量,并不会“很多”,也就是说帕克号因为粒子碰撞导致的升温不会“很高”。借用其他网友的评论,就是蒸桑拿(85℃的水蒸气)很舒服,但同样温度的热水会把人迅速烫伤,区别就在于环境介质的密度不同,导致单位时间内传递给人体的热量有很大差别。
如果只考虑太阳热辐射加热,可以做这样一个估算:地球接收太阳热辐射和自身散热达到平衡时的温度(不考虑大气层的温室效应)大约是-20℃;如果把地球“挪到”帕克号的位置(约日地距离的0.09倍),温度将是约570℃;如果采用高反射率的材料(地球反射率29%,帕克号涂有白色反射层),可以把温度降到一两百度,再结合主动热管理措施,探测器就可以正常工作。
帕克号在日冕里工作,还要承受日冕高速粒子碰撞造成的加热。它利用一个隔热罩来阻挡日冕,可以承受1400摄氏度。这个运行环境还没有上千度的火箭发动机和航天器再入大气层的环境恶劣(因为后两种情况的气体或等离子体密度要高得多,带来的热量更大,且有强烈的烧蚀作用),并没有不可逾越的材料难关。根据报道,帕克号的隔热罩由碳基泡沫复合材料制成,而直面日冕的检测器用钼、钨等难熔金属制成。
我国在航空航天耐高温材料方面具有世界先进水平(参考各种神舟、东风、高超声速飞行器),而太阳探测对空间利用、通讯等领域(太阳风会干扰通讯乃至烧坏航天器的电子元器件)意义重大,也具有极高的科学价值,希望未来我国在这一领域能够迎头赶上。