有趣的科普知識(shí)：太陽(yáng)的大氣層比太陽(yáng)本身還熱

可見(jiàn)的太陽(yáng)表面，或者說(shuō)光球?qū)樱瑴囟却蠹s是6000°C。但是在它上方幾千公里的地方——太陽(yáng)大氣，也被稱為日冕，要熱上百倍，達(dá)到一百萬(wàn)攝氏度或更高。

為什么太陽(yáng)的大氣層比其表面熱幾百倍？這一個(gè)天體物理學(xué)家已經(jīng)思考了80年的基本謎題，近日終于被破解和證實(shí)。

最近的研究驗(yàn)證了Alfvén 80年前的理論，并讓我們離利用地球上的這種高能現(xiàn)象更近了一步。

日冕加熱問(wèn)題自20世紀(jì)30年代末以來(lái)就已經(jīng)確立，當(dāng)時(shí)瑞典光譜學(xué)家Bengt Edlén和德國(guó)天體物理學(xué)家Walter Grotrian首次觀察到日冕現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只有在溫度達(dá)到幾百萬(wàn)攝氏度時(shí)才可能存在。Edlén和格羅特里安發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)日冕比光層熱得多——盡管它離太陽(yáng)的核心更遠(yuǎn)。

科學(xué)家們通過(guò)觀察太陽(yáng)的特性來(lái)解釋這種差異。太陽(yáng)幾乎完全由等離子體組成，等離子體是高度電離的氣體，攜帶電荷。這種等離子體在對(duì)流區(qū)——太陽(yáng)內(nèi)部的上部——的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了巨大的電流和強(qiáng)大的磁場(chǎng)。

這些磁場(chǎng)通過(guò)對(duì)流從太陽(yáng)內(nèi)部拉起，以太陽(yáng)黑子的形式出現(xiàn)在太陽(yáng)的可見(jiàn)表面。太陽(yáng)黑子是一組磁場(chǎng)，可以在太陽(yáng)大氣中形成各種各樣的磁性結(jié)構(gòu)。

這就是Alfvén的理論的來(lái)源。他推斷，在太陽(yáng)的磁化等離子體中，任何帶電粒子的整體運(yùn)動(dòng)都會(huì)擾亂磁場(chǎng)，產(chǎn)生的波可以攜帶大量的能量沿著遙遠(yuǎn)的距離——從太陽(yáng)表面到其上層大氣。熱量沿著所謂的太陽(yáng)磁通量管傳播，然后進(jìn)入日冕，產(chǎn)生高溫。

這些磁等離子體波現(xiàn)在被稱為Alfvén波，它們?cè)诮忉屓彰峒訜岱矫娴淖饔檬笰lfvén獲得了1970年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但是在實(shí)際觀測(cè)這些波的問(wèn)題上仍然存在。在太陽(yáng)表面和它的大氣中發(fā)生著如此多的事情——從比地球大很多倍的現(xiàn)象到低于我們儀器分辨率的小變化——因此在光層中Alfvén波的直接觀測(cè)證據(jù)以前是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)的。

如今，天文科學(xué)儀器的進(jìn)步為我們研究太陽(yáng)物理打開(kāi)了一扇新的窗口。其中一種儀器是用于成像光譜學(xué)的干涉二維偏振光譜儀(IBIS)，安裝在美國(guó)新墨西哥州的鄧恩太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡上。這臺(tái)儀器使我們能夠?qū)μ?yáng)進(jìn)行更詳細(xì)的觀察和測(cè)量。

結(jié)合良好的觀測(cè)條件，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬，以及來(lái)自七個(gè)研究機(jī)構(gòu)的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的努力，科學(xué)家們使用IBIS最終第一次確認(rèn)了Alfvén波在太陽(yáng)磁通量管中的存在。

在太陽(yáng)光球?qū)又兄苯影l(fā)現(xiàn)Alfvén波是在地球上開(kāi)發(fā)其高能量潛能的重要一步。例如，它們可以幫助我們研究核聚變，即太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)生的將少量物質(zhì)轉(zhuǎn)化為大量能量的過(guò)程。我們目前的核電站目前基本使用核裂變，而有批評(píng)者認(rèn)為——核裂變會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的核廢料——特別是在2011年發(fā)生在福島的災(zāi)難中。

通過(guò)在地球上復(fù)制太陽(yáng)的核聚變來(lái)創(chuàng)造清潔能源，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀內(nèi)匀恍枰焖佼a(chǎn)生1億攝氏度的溫度才能發(fā)生核聚變。Alfvén waves可能是一種方法。我們對(duì)太陽(yáng)越來(lái)越多的了解表明，在合適的條件下，這是完全可能的。

由于新的突破性的任務(wù)和儀器，科學(xué)家也期待著更多的太陽(yáng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)。歐洲航天局(European Space Agency)的太陽(yáng)軌道衛(wèi)星(Solar Orbiter)目前正在圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，提供圖像，并對(duì)這顆恒星未知的極地地區(qū)進(jìn)行測(cè)量。在地球上，新的高性能太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的揭幕也有望增強(qiáng)人類從地球上對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)。

譯/前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人APP資訊組

參考資料：https://scitechdaily.com/why-the-suns-atmosphere-is-hundreds-of-times-hotter-than-its-surface-80-year-old-theory-finally-confirmed/

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