我们手上有一个迷。太阳表面的温度约为6000开尔文,足够它发出明亮的白热光。但就像地球的表面并不是它的最外层一样,太阳的表面并不是它的最后一层。太阳有一个被叫做日冕的稀薄但广大的大气层,日冕有着几百万开尔文的温度。
日冕是如何拥有比表层更高的温度的呢?
就像我说的一样,这是个谜。
一份热的日冕,谢谢
尽管这很奇怪,但如果你要游过日冕,你并不会感受到它的热量。它不只是稀薄,而且非常稀薄,仅占太阳表面密度的万亿分之一。它太稀薄了,以至于即使有着很高的温度,意味着组成日冕的微粒在以一种令人难以置信的速度翱翔,但是首先只有很少的微粒而且可以碰到你更微乎其微——而且你甚至不能测量出灼热的高温。
(需要澄清的一点是,你接近太阳表面这件事本身毫无疑问会使你融化,但这并不是日冕的错)
日冕本身非常大,绵延数百万公里,是太阳可见表层外半径的两倍,但同样,因为它的稀薄,日晕很难用肉眼看到。只有在完整的日食过程中,当月亮的身体完美地隐藏起太阳的圆盘时,日晕才在所有的光辉中出现,和来自太阳表面反射的微粒组成的大气的光芒一起发光。
对日晕的详细检查揭示了它的特殊结构,纤细的丝状物、细长的环状物、像指纹的涡旋舞蹈着穿过太阳大气层。所以它很明显是个活跃且复杂的地带,可能给它可怕的高温提供了一个线索。
终极力量
太阳中只有一个唯一的能量源,就是核能。在深的、密集的、热的核心(讽刺的是这里是唯一超过日冕温度的地方)令人难之一置信的压力压倒了自然的氢的斥力,把他们融合在一起变成了氦,这样的转换留下了一点质量,因此释放出了一些能量。
每个单独的反应只放出了一点能量,但是过程的无数次重复构成了这样一个了不起的长久的有力的能量源,数十亿年来为整个太阳系提供一切光亮。
而且由于它是周围唯一的能量源,在某种程度上也加热了日晕。
图解:在2012年8月31日,美国东部夏季时间下午4:36,日晕,一种在太阳大气层中盘旋的与太阳相关的材料构成的长丝在在太空中爆发了,日冕物质抛射,或者说是CME,以每秒超过900英里的速度飞行,CME没有直接飞向地球,但确连结了地球的地磁环境,或是磁气圈,导致极光在9月3日周一的晚上出现,上面的图片包含了地球的图像向我们展示了CME和地球尺寸相比的大小。来源:美国国家航空航天局/戈达德宇航中心/ 太阳动力学天文台
不难想象为什么被叫做光球的太阳表面比内部的核心温度低那么多,毕竟那个表面是被暴露在坚硬、寒冷的外太空真空里的,而且它和温暖的核心被无数公里厚的坚硬的、浓密的等离子体隔开了。
但那个表面很活跃,甚至比它上方汹涌的日冕更活跃。粒斑,太阳黑子,耀斑,物质抛射和更多的气泡从太阳混沌的外表面喷射出来。也许在那翻滚的地狱般的表面隐藏着日冕高温的神秘来源。
做扭转
所以在极其炎热的日冕下有一个相当凉爽但令人难以置信活跃的太阳表层,我们需要一些东西来把这个活动连接起来并转化成热量。幸运的是,太阳是一个由等离子体构成的巨大球体,这意味着它是个快速移动的带电粒子的混合体,而快速运动的带电微粒确实很擅长制造磁场。
反过来磁场也确实非常擅长将活动转化为热量。
长期以来,人们一直怀疑强磁场在加热日冕中起了关键作用,这得益于帕克太阳探测器发送的更详细的检查内容。而且在最近的一篇论文里,调查人员利用来自太阳动力学观测卫星的数据解释了另外两个利用磁场加热日冕的机制。
有时候磁场会自我环绕,形成一个隧道(有一个很酷的科幻名字叫做磁通管)。这些隧道作为导管来让更多的磁能以冲击或波浪的形式到处穿行…比方说从表面到日冕。
有时候这些磁场甚至会互相纠缠的非常紧密以至于它们会像一个拉扯过度的皮筋一样断裂,在一个闪电中释放所有被压抑的能量,被叫做磁重联事件。
如果这些磁通管和磁重连事件发生的足够频繁且能够发出足够的能量,他们可以为日冕提供足够的热量来维持它。这仍旧是个悬而未决的问题,但是通过更多的观察与努力钻研,我们也许会在不久后关于奇怪的太阳难题有一个清楚详细的描述。