最近，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的帕克太陽(yáng)探測(cè)器（Parker Solar Probe）探測(cè)的原始數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果開(kāi)始發(fā)布，讓這枚探測(cè)器再次進(jìn)入人們的視線。
帕克是目前人類(lèi)歷史上最近距離的“探日”，探索太陽(yáng)風(fēng)形成過(guò)程及對(duì)太空天氣的影響，嘗試解開(kāi)日冕的極端高溫之謎， 簡(jiǎn)言之就是探索太陽(yáng)的大氣。
帕克探測(cè)器藝術(shù)圖（圖片來(lái)源：https://media.nature.com/） 太陽(yáng)大氣外圍（圖片來(lái)源：https://www.nasa.gov/） 說(shuō)到大氣，不由得讓我們聯(lián)想到地球周?chē)拇髿鈱印Ｎ覀冄芯康厍虼髿獾臅r(shí)候，會(huì)根據(jù)其各種參量的性質(zhì)分成一些圈層：靠近地面的部分稱為對(duì)流層，密度大、下熱上冷，因?yàn)槔錈釒?lái)的密度變化進(jìn)行著氣體與能量的對(duì)流，風(fēng)雨雷電都產(chǎn)生在這里；向上有平穩(wěn)的平流層、過(guò)渡的中間層、越往上溫度越高的熱層等。 中性大氣參量隨高度變化（圖片來(lái)源：熊年祿等《電離層物理概論》） 地球大氣能夠分層，是因?yàn)榭諝夥肿釉诘厍蛑亓Α⑻?yáng)輻射加熱以及其他物理過(guò)程的作用下，其密度、溫度等性質(zhì)出現(xiàn)了明顯變化。那么，太陽(yáng)大氣有沒(méi)有分層，分層的依據(jù)是什么呢？ 太陽(yáng)大氣究竟分幾層？ 太陽(yáng)大氣的分層有一定的任意性，其實(shí)也不完全統(tǒng)一。比較廣泛接受的分層同樣與溫度有關(guān)，是按照一定模式計(jì)算出來(lái)溫度剖面，根據(jù)剖面的變化性質(zhì)劃分的。太陽(yáng)大氣從內(nèi)到外主要分為光球?qū)?、色球?qū)?、過(guò)渡區(qū)和日冕。各個(gè)層當(dāng)中都存在許多大尺度的結(jié)構(gòu)，一些結(jié)構(gòu)可以貫穿多個(gè)圈層，而且由于其復(fù)雜的加熱和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，各個(gè)圈層的高度、厚度等也存在很多爭(zhēng)議，不過(guò)我們大多認(rèn)同這些高度層次的劃分。 作為一個(gè)氣態(tài)星球，太陽(yáng)其實(shí)分為內(nèi)外的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部產(chǎn)生的巨大能量對(duì)流傳遞到外層后，從光球?qū)娱_(kāi)始發(fā)出太陽(yáng)光。光球可以看成一個(gè)發(fā)光殼，光球外邊（上面）的部分對(duì)于光球發(fā)出的光線是透明的，我們稱之為太陽(yáng)大氣；相反，光球以內(nèi)（下面）的區(qū)域氣體密度過(guò)高，內(nèi)層氣體的輻射會(huì)被外層吸收，故而表現(xiàn)為非透明區(qū)域，則為太陽(yáng)內(nèi)部，其性質(zhì)目前主要靠理論推算。我們對(duì)太陽(yáng)的直接觀測(cè)其實(shí)基本都是對(duì)太陽(yáng)外部的大氣的觀測(cè)。 太陽(yáng)內(nèi)部和大氣的分層示意圖，從“光球?qū)印保≒hotosphere）開(kāi)始以上是太陽(yáng)大氣（圖片來(lái)源：http://physics.uoregon.edu/） 區(qū)分太陽(yáng)內(nèi)部和外部的“光球?qū)印保≒hotosphere），就是太陽(yáng)大氣的開(kāi)端。上邊的示意圖給出的就是太陽(yáng)大氣溫度從光球?qū)娱_(kāi)始向上的變化趨勢(shì)。光球?qū)雍穸燃s500公里，從里向外溫度越來(lái)越低。我們?nèi)庋劭吹降奶?yáng)光，也就是可見(jiàn)光，幾乎全部是從光球?qū)影l(fā)出來(lái)的，所以才叫做光球。另外，正因?yàn)楣馇驅(qū)拥妮椛涔庾V大約對(duì)應(yīng)于5700 K（熱力學(xué)溫度，也稱開(kāi)氏溫度，也就是-273.15°C的最低溫設(shè)定為0度的溫度計(jì)量法）的黑體輻射，所以我們才說(shuō)太陽(yáng)表面溫度大約是6000 K。光球?qū)拥哪芰渴菑钠湎路教?yáng)內(nèi)部對(duì)流區(qū)傳輸而來(lái)，吸收之后再輻射出來(lái)，所以越往上能吸收到的能量越少，溫度也越來(lái)越低，在其頂部的溫度大約是4300 K。 太陽(yáng)大氣溫度隨距離的變化以及分層示意圖（圖片來(lái)源：https://www.aanda.org/） 光球?qū)右陨希瑴囟鹊竭_(dá)極低之后，又會(huì)開(kāi)始上升，從這里開(kāi)始就是“色球?qū)印保–hromosphere）。日食時(shí)我們有時(shí)可以看到太陽(yáng)周?chē)蝗γ倒寮t色的輝光，就是色球?qū)拥墓猓越兴?。這種紅色是因?yàn)楣庾V中Ha線（636.3nm）輻射占優(yōu)勢(shì)而呈現(xiàn)出來(lái)的。色球?qū)哟蠹s兩三千公里厚，但也有其他觀點(diǎn)反對(duì)，甚至有科學(xué)家認(rèn)為有2萬(wàn)公里厚?？傊?qū)由线吔缡且粋€(gè)溫度陡增的區(qū)域。色球?qū)拥臏囟却蠹s是1萬(wàn)K。 剛才說(shuō)到色球?qū)由线吔缡且粋€(gè)溫度陡增的區(qū)域，這里有些人命名為過(guò)渡區(qū)（Solar transition region）。它的范圍小于1000公里，但是在這里溫度可以從1萬(wàn)K升到50萬(wàn)K。很多分層方法并不把過(guò)渡區(qū)當(dāng)成單獨(dú)的圈層。 1999年日食期間對(duì)太陽(yáng)色球?qū)拥呐恼眨▓D片來(lái)源：https://cseligman.com/） 經(jīng)過(guò)溫度陡增之后，大約1萬(wàn)到2萬(wàn)公里高，太陽(yáng)大氣溫度就可以達(dá)到150萬(wàn)K，其與光球、色球有非常顯著的不同，所以這上方定義為太陽(yáng)大氣的最外層，也就是“日冕”（Corona）。由于太陽(yáng)風(fēng)是來(lái)自日冕的物質(zhì)流，所以廣義的日冕包括了太陽(yáng)風(fēng)所能達(dá)到的范圍，也就是超過(guò)150億公里的范圍。日冕的溫度隨高度增加較為緩慢，幾乎是均勻的，所以才會(huì)有學(xué)者把過(guò)渡區(qū)單獨(dú)當(dāng)作圈層。 日冕中的密度已經(jīng)很低了，且在這樣高的溫度之下，太陽(yáng)大氣的成分是完全電離的，甚至一些元素的原子中較為內(nèi)層的電子也電離逃逸，出現(xiàn)一些在地球上自然情況無(wú)法出現(xiàn)的離子（例如鐵原子丟掉13個(gè)電子形成離子）。日冕的損失能量主要來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)和色球?qū)拥臒醾鲗?dǎo)，輻射損失不是主要的，其輻射并不強(qiáng)，它的亮度只有日球?qū)拥陌偃f(wàn)分之一，所以也要在日食期間才適合觀測(cè)。不過(guò)，科學(xué)家們發(fā)明了日冕儀，就能對(duì)日冕進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。 2006年日食期間對(duì)太陽(yáng)日冕的拍照（來(lái)源：https://cseligman.com/） 還有一些學(xué)者對(duì)日冕又進(jìn)行了一些細(xì)分，分成內(nèi)、中、外日冕等，一般是根據(jù)日冕光譜的性質(zhì)。這里用一些專業(yè)的屬于簡(jiǎn)單介紹，感興趣的朋友可以再去搜索名詞的解釋。日冕射線由3部分組成： （1）由自由電子湯普遜散射來(lái)自光球的輻射形成的偏振的連續(xù)光譜，沒(méi)有吸收線，稱為K日冕； （2）由黃道面內(nèi)行星際塵埃粒子散射來(lái)自光球的輻射形成不偏振的連續(xù)光譜，其中含有夫瑯和費(fèi)線，稱為F日冕，又稱為“內(nèi)黃道光”； （3）所有日冕的分立輻射線的總和，稱為E日冕或L日冕。 上邊提到的一些日冕細(xì)分例如K日冕主要來(lái)自2.3倍太陽(yáng)半徑以內(nèi)、F日冕主要來(lái)自2.3倍太陽(yáng)半徑以外，所以把色球?qū)禹數(shù)?.3倍太陽(yáng)半徑之間稱為內(nèi)日冕、2.3倍太陽(yáng)半徑以外稱為外日冕。同時(shí)這也與太陽(yáng)磁場(chǎng)有關(guān)，大約2.5倍太陽(yáng)半徑以內(nèi)磁場(chǎng)有閉結(jié)構(gòu)，但這個(gè)距離以外只有開(kāi)結(jié)構(gòu)。 太陽(yáng)大氣還有什么秘密？等帕克告訴我們 去年8月，帕克升空，預(yù)計(jì)2025年將到達(dá)距離太陽(yáng)僅約590萬(wàn)千米的地方，開(kāi)展人類(lèi)歷史上第一次太陽(yáng)活動(dòng)的源頭采樣?，F(xiàn)在，帕克探測(cè)器飛到了距離太陽(yáng)約2400萬(wàn)公里的近處，是人類(lèi)航天器之最，而一些重要的觀測(cè)成果就在其飛越近日點(diǎn)時(shí)獲得的。 未來(lái)它還會(huì)在圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中更加接近太陽(yáng)，其設(shè)計(jì)的軌道如下圖的紅線所示。 另外，如果大家對(duì)帕克探測(cè)器在宇宙中的實(shí)時(shí)位置感興趣，可以在NASA的網(wǎng)址（http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/index.php#Where-Is-PSP）進(jìn)行查看。 帕克太陽(yáng)探測(cè)器已經(jīng)飛過(guò)（綠色）和未來(lái)的軌道（圖片來(lái)源：https://blogs.nasa.gov/） 宇宙“真空”不是真的空，在太陽(yáng)和地球這些星球的周?chē)?，其?shí)有許多物質(zhì)粒子。我們常說(shuō)的太陽(yáng)風(fēng)，就是來(lái)自太陽(yáng)的等離子體流，其中還包含著太陽(yáng)的磁場(chǎng)（稱為磁凍結(jié)）；從太陽(yáng)出發(fā)到我們地球，遠(yuǎn)到冥王星，甚至遠(yuǎn)到上百倍日地距離（超過(guò)150億公里），這中間的宇宙空間，其中都充滿著太陽(yáng)風(fēng)等離子體（雖然密度非常低）以及太陽(yáng)的磁場(chǎng)，而它們都來(lái)自太陽(yáng)大氣的外層。 帕克探測(cè)器就是在距離太陽(yáng)較近的太陽(yáng)等離子體中探測(cè)其性質(zhì)，幫助我們了解更多的太陽(yáng)知識(shí)。例如，這次新發(fā)表的成果中，帕克探測(cè)器的探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，太陽(yáng)附近的磁場(chǎng)與我們?cè)诘厍蚋浇綔y(cè)到的性質(zhì)不同，非常不穩(wěn)定，能在短時(shí)間內(nèi)大幅度甚至180度旋轉(zhuǎn)，這完全出乎了科學(xué)家們的預(yù)料。未來(lái)，期望帕克能為我們解開(kāi)更多太陽(yáng)大氣的奧秘！ 作者單位：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
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