11月6日,美国国家航空航天局的帕克太阳探测器在距离金星表面234英里(376公里)的范围内经过。这次近距离飞越的目的是完成重力辅助机动,在这种机动中,探测器将窃取金星的一些动量,以改变航天器的轨道,使自己更接近太阳。
帕克太阳探测器已经多次近距离掠过太阳,但最近的飞越距离最近,距离太阳表面约380万英里(600万公里)。这不到太阳半径的九倍。
在最接近的时刻,帕克以近435000英里/小时(700000公里/小时)的速度行驶,使其成为人类设计的最快物体。为了让你了解它的速度有多快,帕克给了我们一个难得的机会来切换单位:我们可以合理地将它的速度表示为光速的0.06%。
帕克太阳探测器任务的目标是调查太阳日冕及其外层大气的奥秘。具体来说,几十年来,我们已经知道太阳的可见表面光球层的温度约为几千开尔文,但日冕本身的温度在数百万开尔文左右。
帕克太阳探测器任务的目标是调查太阳日冕及其外层大气的奥秘。具体来说,几十年来,我们已经知道太阳的可见表面光球层的温度约为几千开尔文,但日冕本身的温度在数百万开尔文左右。
这就像打开一个灯泡,灯泡摸起来很暖和,但周围的空气要热一千倍。什么给?
我们知道电晕不能通过正常的传热过程被加热,因为这违反了热力学第二定律——较冷的表面不能将热量传递给较暖的电晕。所以它必须是另一个过程,它必须涉及磁场,磁场在日冕物理学中起着巨大而动态的作用。
具有讽刺意味的是,加热日冕并不需要那么多能量,这是因为氦在计算中起着重要作用。
氦约占太阳质量的25%。光球层的温度足够低,通常携带两个电子的氦会失去其中一个。我们称之为部分电离状态。这使得氦可以很容易地抽出大量的辐射,这有助于太阳的普遍发光。但它也能控制温度,因为太阳的热量有一个容易的“逃生口”。
然而,一旦温度升高一点,氦就会失去另一个电子,完全电离。这使得它更难释放辐射,这意味着它在捕获热量方面要好得多。太阳物理学家将这种转变称为“蒸发”,通过与沸水产生蒸汽的类比。
结果是,你不需要那么多的能量——大约每平方米1千瓦——来将日冕加热到荒谬的高温。这就像在洗碗机中覆盖太阳表面,这不到太阳总能量的0.0025%。
这意味着,无论我们用什么来加热日冕,我们都可能非常非常低效,而且它仍然可能奏效。
这就是帕克太阳探测器发挥作用的地方。为了研究太阳的这个区域,探测器配备了四套仪器,分别命名为FIELDS、WISPR、is-O-is和SWEAP。这些仪器协同工作,研究日冕本身、太阳风(从日冕发出的带电粒子流)和光球层,以形成完整的图像。这就是帕克如何发现称为折返的奇怪磁场能量波在加热日冕中起着至关重要的作用。
在湍流的光球层中,等离子体羽流不断地上升到表面并悄悄地回落,开始出现逆转。有时,可以形成强磁能区域,其中许多磁力线相互缠结。其中一些田地是直的,指向远离太阳的方向。其他则以巨大的马蹄形环回水面。
当这两种磁场相互碰撞时,磁力线可以断开和重新连接,在磁力线中形成巨大的S形扭结。这种扭结被称为转向,远离太阳,深入日冕。
最终,转向会溶解,释放能量。天文学家认为这是太阳加热日冕最重要的方式之一,如果不是最重要的话。
这项研究尤其重要,因为磁场也控制着空间天气的演变,这涉及从太阳分离并穿过太阳系的等离子体风暴。太空天气对卫星、载人航天甚至我们的电网都有巨大的影响。因此,我们对太阳所有区域磁场的复杂作用了解得越多,就越能更好地预测和规划各种太阳风暴。
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