神奇的太陽大氣層一一日冕

賈如丹

讀了《太陽簡史——一顆恒星的傳記》和《通俗天文學(xué)——和宇宙的一場對話》，我很想和大家分享一些關(guān)于太陽的知識(shí)。

太陽是地球的生命之源，離開了它，我們地球上的動(dòng)物和植物就會(huì)很快死亡。我們依賴它，但并不表示我們很了解它，比如，你知道太陽也有大氣層嗎？

人們平常會(huì)把太陽比作一個(gè)燃燒的大火球，其實(shí)更確切地說它是一個(gè)大氣球，因?yàn)樘栙|(zhì)量的98.2% 是氫（78.5%）和氦（19.7%）。太陽中心的氫在高溫高壓的條件下不斷地被擠壓，發(fā)生核聚變反應(yīng)后，氫就聚變?yōu)楹?。幾十億年后，當(dāng)這個(gè)過程結(jié)束時(shí)，太陽將成為紅巨星，發(fā)生電影《流浪地球》里提到的“氦閃”，而后成為白矮星，白矮星存在的時(shí)間是非常漫長的，最終會(huì)成為黑矮星。那時(shí)，人類早已不復(fù)存在。

太陽的分層結(jié)構(gòu)

和地球一樣，太陽的結(jié)構(gòu)也是分層的，最中心是等離子體組成的太陽核，太陽核的半徑約占整個(gè)太陽半徑的四分之一。太陽內(nèi)部核聚變所釋放的光子能量需要經(jīng)歷一個(gè)曲折的過程，花上萬年的時(shí)間才能到達(dá)太陽表面。

太陽的表面包裹著數(shù)層氣體，分別為光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰帷ｎ櫭剂x，光球?qū)泳褪前l(fā)光的部分，也是我們?nèi)庋勰芸吹降奶栕钌钐?。光球?qū)蛹s有500千米厚，平均溫度超過6000攝氏度，許多太陽表面活動(dòng)，像米粒組織、太陽黑子都在這里發(fā)生。

太陽結(jié)構(gòu)圖

色球?qū)游挥诠馇驅(qū)拥纳戏?，它就像是沸騰的光球?qū)訃姙R出來的物質(zhì)，看起來呈橘色，平均厚度約為2000千米，溫度在6000～20000攝氏度之間，由于它的密度比光球?qū)有?，發(fā)出的光僅為光球?qū)拥那Х种弧?/p>

日冕是太陽最外面的大氣層，它從色球?qū)娱_始向外延伸達(dá)億萬千米，溫度在100萬～200萬攝氏度之間，就像太陽的“冠冕”。

太陽的大氣層——日冕

地球的大氣層和地面涇渭分明，太陽的大氣層卻不同，它和太陽的其他部分都是由等離子體組成，只是它更稀薄而已。由于太過稀薄，日冕平時(shí)會(huì)被太陽的萬丈光芒掩蓋，只有日全食時(shí)才能被看到。

日冕的形狀與太陽黑子的數(shù)量有關(guān)，黑子高峰期時(shí)，日冕向各個(gè)方向展開的范圍差不多大，呈向日葵狀;黑子減少后，日冕從兩極伸出向赤道彎曲，就像磁石周圍的鐵屑形狀。有時(shí)，我們還能觀測到一些環(huán)狀“絲帶”，那是被拋出來的扭纏的等離子體形成的日珥，它們的大小可以達(dá)到地球的幾十甚至幾百倍！偶爾，日冕層還會(huì)將大量的氣體和能量拋到行星際空間，這種現(xiàn)象被稱為“日冕物質(zhì)拋射”。這些帶電的粒子在巨大的能量推動(dòng)下，朝著地球以及更遠(yuǎn)的行星奔去。

日全食食甚

冕儀觀測到的物質(zhì)拋射，中間是后期合成的太陽極紫外像

對日冕的觀測和研究

想要觀測日冕，我們可以抓住日全食發(fā)生的這一時(shí)機(jī)，此時(shí)太陽的主體被月球全部遮住，我們會(huì)看到黑色太陽周圍的白光，那就是日冕。還有一個(gè)方法就是通過日冕儀觀測。日冕儀的原理并不復(fù)雜，只要給望遠(yuǎn)鏡的透鏡上安裝金屬圓盤，阻擋來自光球?qū)拥墓饩€即可。但由于太陽光的衍射和背景光的污染，日冕儀還需要許多精巧的設(shè)計(jì)以及良好的周圍環(huán)境才能真正觀測到日冕。

除此之外，NASA曾經(jīng)發(fā)射多顆太陽觀測衛(wèi)星，例如2010年發(fā)射的太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)衛(wèi)星，它每日都會(huì)拍攝太陽的照片，從這些照片中我們就能清晰地看到“日冕物質(zhì)拋射”。

日冕在拋射物質(zhì)時(shí)，給我們帶來的不僅是視覺盛宴般的極光，還有磁場擾動(dòng)導(dǎo)致的大面積停電，衛(wèi)星、通信系統(tǒng)，以及航班也會(huì)受到很大影響。1989年3月13日凌晨，加拿大魁北克上空出現(xiàn)了巨大的磁場擾動(dòng)，幾百萬千瓦的電因擾動(dòng)瞬間“蒸發(fā)”，電力保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)，各地陸續(xù)斷網(wǎng)，人們在黑暗和無信號的環(huán)境中度過了9個(gè)小時(shí)，這就是著名的日冕物質(zhì)拋射事件。

日冕物質(zhì)拋射

我們雖然不能影響太陽的“喜怒”，但可以通過研究預(yù)測它的活動(dòng)。比如，在1645—1715年間，黑子數(shù)量異常少，這時(shí)歐洲和北美洲的天氣寒冷異常?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)這并不是巧合，而是太陽黑子對地球氣候產(chǎn)生了影響，黑子多則天氣熱，黑子少則天氣冷。

觀測日冕形狀的變化還可以推測太陽表面氣流的活動(dòng)，如果發(fā)現(xiàn)日冕物質(zhì)拋射，可以提前預(yù)報(bào)，飛機(jī)可以停運(yùn)或改道來避開日冕物質(zhì)，人們也可提前為停電做準(zhǔn)備。

太陽黑子

為了更加深入地了解太陽，2018年8月12日，NASA發(fā)射了最新的帕克太陽探測器，探測器將飛進(jìn)日冕層，進(jìn)入1300多攝氏度的區(qū)域探尋能量如何在日冕中移動(dòng)。帕克太陽探測器將進(jìn)行太陽磁場、等離子體、高能粒子和太陽風(fēng)成像這四個(gè)方面的研究。帕克太陽探測器預(yù)計(jì)通過七年的時(shí)間到達(dá)太陽，現(xiàn)在已經(jīng)過去一年，大家再耐心等一等，相信“帕克”定會(huì)為我們帶來豐富的太陽信息！

太陽是離我們最近的恒星，通過對太陽的研究，我們可以了解宇宙中的其他恒星，也可以獲得更多對生命和環(huán)境的認(rèn)識(shí)！