太阳活动预报中心 如何给太阳做“天气预报”？这篇文章讲清楚了！

腾讯泰空文/王伟

类似于地球的风暴和闪电，太阳也有自己的“天气变化”。每隔11年左右，太阳释放的能量就会达到一个峰值，引起地面附近的地磁暴和电离层扰动空，从而影响人类生活和地球的气候变化。因此，太阳物理学家希望在强烈的太阳活动之前预测太阳活动并做出良好的反应。

为了了解太阳的活动，一个重要的观察对象是太阳风。去年8月，美国宇航局发射了“帕克”太阳能探测器，并在非常近的距离观察到太阳风。第一批研究成果总结为四篇论文，发表在今年12月4日的顶级科学期刊《自然》上。让我们看看太阳上的天气怎么样。

01

什么是太阳风？

与地球上的风不同，太阳风只是一个图像术语。美国物理学家尤金·帕克(Eugene Parker)首先根据理论预言太阳会喷出一股带电粒子流，这种粒子流被称为太阳风。到1959年，前苏联卫星“月球一号”的首次观测证实了太阳风的存在。

为了理解太阳风是如何形成的，我们首先需要知道太阳大气的分层。如图2所示，太阳的结构由内向外分为六层:太阳核心、辐射带、对流层、光球、色球和日冕。最里面的三层构成太阳的内部结构，最外面的三层构成太阳大气。其中，人眼看到的太阳表面是光球层，可见光最强；只有发生日全食，太阳可见光被月亮遮挡，人类才能直接看到日冕，这就是太阳风诞生的地方。

图1:太阳能结构示意图。图片来源:俄勒冈大学

日冕是厚度几百万公里的广大区域，由稀薄的等离子体组成。它的温度可以达到110万摄氏度，比光球层高三个数量级，密度比光球层低七个数量级。

日冕不均匀。通过X射线或极紫外波段拍摄的照片，我们可以看到日冕中有很大的神秘暗区，其电磁辐射、温度和密度都比周围小得多，从外观上看就像是日冕中的一些孔洞，科学家称之为日冕洞。

日冕洞是太阳磁场的一个开放区域，磁力线的一端在太阳表面生根，另一端向宇宙传播空。大量等离子体沿着磁力线跑出，形成以质子和粒子为主的高速带电粒子流，席卷整个太阳系。这种高速带电粒子流也被称为太阳风。

02

当太阳风吹向地球时

太阳风到达地球轨道时，其速度可达每秒数百公里，约为地表8级风的2万倍。这么大的风，为什么我们感觉不到它的存在？首先，太阳风非常“稀薄”，粒子密度小，其在地球附近的动压远小于地表的微风；其次，地磁场也会帮助我们“屏蔽”大部分太阳风。在地球两极，少量“漏网”的高能带电粒子会沿着地球磁力线冲向地球，在两极高层大气中放电，产生壮丽的极光。

图2:极地极光。

但有时，“风暴”发生在太阳上，然后蔓延到地球。在太阳活动强烈期间，日冕中的大尺度磁场平衡将被破坏，日冕物质抛射将发生。此时太阳风具有较高的风速、较高的粒子密度和持续向南的行星际磁场，可在地面附近引起地磁暴和电离层扰动空，导致通信卫星故障、高纬度电网故障、短波通信和长波导航质量下降，对人类日常生活、科研观测乃至军事行动造成干扰，甚至可能影响地球气候变化。

如果能提前知道太阳活动的变化，就能及时关闭电网和卫星系统，把损失降到最低。为了更好地预测太阳活动，物理学家必须首先了解太阳风的起源及其加热和加速机制。

03

去离太阳最近的地方

2018年8月12日，NASA在美国卡纳维拉尔角空军事基地发射了“帕克”太阳探测器，花费15亿美元对太阳进行了史无前例的近距离观测。目前，“帕克”已经用尖端科学仪器对太阳进行了三次近距离观测。

图3:帕克探测器绕太阳运行的概念图

慢太阳风的起源是太阳物理研究中的一个重要问题。此前，学术界已经证实了450-850 km/s速度的快太阳风是在日冕洞内产生的，但对于250-450 km/s速度的慢太阳风的来源并没有统一的看法，有学者认为快太阳风产生于日冕洞中心，慢太阳风产生于日冕洞边缘。有学者认为，缓慢的太阳风是闭合磁力线和开放磁力线作用转换的结果。帕克的测量数据表明，缓慢的太阳风可能来自太阳赤道附近的一个小日冕洞。

日冕洞底部的等离子体速度只有每秒16公里左右。它们是如何加速到超音速，逃离太阳磁场的束缚，变成太阳风的？帕克的测量数据表明，这可能是由于太阳磁场的逆转及其相应的阿尔芬波动。当太阳风沿着太阳磁场线向外扩散时，如果磁场线偶尔以180度连续反转，太阳风会在几秒到几小时内呈现波动运动特征[2]。

图4:帕克探测器观测到的太阳磁场线反转概念图

此外，帕克的观测结果也部分验证了太阳周围无尘区的猜想。科学家早就观察到Tai 空中有很多尘埃，是小行星或彗星的残骸。一些理论预测，尘埃会被太阳附近的热浪蒸发，从而在太阳周围形成一个无尘区，但一直没有观测到。“帕克”传回的图像显示，在距离太阳约700万英里的地方，尘埃开始减少，并且这种减少趋势持续到目前的探测极限[3]。科学家估计，如果无尘区真的存在，PSP最早可以在2020年检测到。

图7:帕克探测器观测到的宇宙尘埃概念图

04

PSP的下一步

为什么研究太阳风离太阳这么近？加州大学伯克利分校的等离子体物理学家斯图尔特·贝尔说:“虽然科学家可以研究扫过地球的太阳风，但这样做就像研究下游瀑布的源头一样。如果你想知道瀑布的源头在哪里，看起来是什么样子，上游只有一点点。”

直到2025年任务结束，“帕克”将对太阳进行24次超近距离观测，最近的距离只有现在的三分之一。我相信未来会有更丰富、更激动人心的观测数据，这将有助于我们更好地预测太阳活动。

修改人:哈尔滨工业大学李会超博士

参考源:

[1]《自然》，2019年，赤道日冕洞出现高度结构化的缓慢太阳风

[2]近太阳太阳风中的阿尔夫尼克速度尖峰和旋转流，《自然》(2019年)

[3]探索太阳附近的高能粒子环境，《自然》(2019年)

[4]日冕减少和日冕精细结构的近日观测，《自然》(2019年)

[5]帕克太阳能探测器追踪太阳风到它在太阳表面的来源:日冕洞

[7]美国国家航空航天局的帕克太阳能探测器(Parker SolarProbe)为太阳带来了新的曙光