為何離太陽(yáng)越遠(yuǎn)越熱

李木子

按說(shuō)離熱源越遠(yuǎn)，空氣就越冷。奇怪的是，太陽(yáng)的情況卻并非如此。太陽(yáng)表面溫度約6000攝氏度，但在距離太陽(yáng)表面短短幾百公里距離內(nèi)，溫度會(huì)突然升高到100多萬(wàn)攝氏度，成為太陽(yáng)的大氣層，也就是日冕。

離熱源幾百公里，溫度突然升高

按說(shuō)離熱源越遠(yuǎn)，空氣就越冷。奇怪的是，太陽(yáng)的情況卻并非如此。如今，新西蘭科學(xué)家可能已經(jīng)找到其中的關(guān)鍵原因。

太陽(yáng)表面溫度約6000攝氏度，但在距離太陽(yáng)表面短短幾百公里距離內(nèi)，溫度會(huì)突然升高到100多萬(wàn)攝氏度，成為太陽(yáng)的大氣層，也就是日冕。

“溫度如此之高，以至于氣體脫離了太陽(yáng)的引力，成為‘太陽(yáng)風(fēng)，飛向太空，撞向地球和其他行星。”這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人、奧塔哥大學(xué)物理系喬納森·斯奎爾博士說(shuō)。

研究人員從測(cè)量和理論中得知，溫度的突然升高與太陽(yáng)表面磁場(chǎng)有關(guān)。但是，這些磁場(chǎng)是如何加熱氣體的目前還不清楚——這就是所謂的日冕加熱問(wèn)題。

“天體物理學(xué)家對(duì)磁場(chǎng)能量如何轉(zhuǎn)化為熱量有幾種不同的看法，但大多數(shù)人都難以解釋觀(guān)測(cè)結(jié)果的某些方面?！彼箍鼱栒f(shuō)。

流行的理論是基于湍流引起的加熱，以及一種被稱(chēng)為離子回旋波的磁波引起的加熱。

斯奎爾與美國(guó)普林斯頓大學(xué)和英國(guó)牛津大學(xué)的科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)上述兩個(gè)理論可以合并成一個(gè)，從而解決問(wèn)題的關(guān)鍵部分。

與“螺旋屏障”奇異效應(yīng)的聯(lián)系

然而，上述兩個(gè)理論都有一些問(wèn)題——湍流難以解釋為什么氣體中的氫、氦和氧會(huì)變得和它們一樣熱，而電子卻出奇冷;雖然磁波理論可以解釋這一特征，但似乎太陽(yáng)表面沒(méi)有足夠的波來(lái)加熱氣體。

上述研究小組利用六維超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬日冕氣體，進(jìn)而展示了這兩種理論實(shí)際上是同一過(guò)程的一部分，通過(guò)一種叫做“螺旋屏障”的奇異效應(yīng)聯(lián)系在一起。

“如果我們把等離子體加熱的發(fā)生想象成水從山上流下，電子在底部被加熱，那么‘螺旋屏障就像是一個(gè)大壩，阻止水的流動(dòng)并將其能量轉(zhuǎn)換為離子回旋波。通過(guò)這種方式，‘螺旋屏障將這兩個(gè)理論聯(lián)系起來(lái)，并解決了它們各自的問(wèn)題。”斯奎爾解釋說(shuō)。

在這項(xiàng)最新的研究中，研究小組在模擬中攪動(dòng)磁力線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)湍流產(chǎn)生了波，然后引發(fā)加熱。

斯奎爾說(shuō)：“這讓我們有信心準(zhǔn)確捕捉到日冕中的關(guān)鍵物理現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與關(guān)于加熱機(jī)制的理論發(fā)現(xiàn)相結(jié)合，從而成為理解日冕加熱的一個(gè)有效途徑。”

太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球影響很大

斯奎爾解釋說(shuō)，更多地了解太陽(yáng)大氣層和太陽(yáng)風(fēng)非常重要，因?yàn)樗鼈儗?duì)地球有著深遠(yuǎn)的影響。

太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)被稱(chēng)為“空間天氣”，它會(huì)導(dǎo)致從極光到破壞衛(wèi)星的輻射及破壞電網(wǎng)的地磁電流等一切現(xiàn)象。從根本上說(shuō)，這些都是由日冕及其磁場(chǎng)加熱引發(fā)的。

“也許，隨著對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的更好理解，我們能建立更好的模型預(yù)測(cè)未來(lái)的空間天氣，進(jìn)而實(shí)施保護(hù)策略，避免數(shù)十億美元的損失。”斯奎爾說(shuō)。（《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 ）D59F83FD-BB1A-4987-968D-15A933D7EE84