最近,美国国家航空航天局(NASA)的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)探测的原始数据及其分析结果开始发布,让这枚探测器再次进入人们的视线。帕克是目前人类历史上最近距离的“探日”,探索太阳风形成过程及对太空天气的影响,尝试解开日冕的极端高温之谜,简言之就是探索太阳的大气。
太阳大气从内到外主要分为光球层、色球层、过渡区和日冕。光球层厚度约500公里,从里向外温度越来越低。
我们肉眼看到的太阳光,也就是可见光,几乎全部是从光球层发出来的,所以才叫做光球。光球层的能量是从其下方太阳内部对流区传输而来,吸收之后再辐射出来,所以越往上能吸收到的能量越少,温度也越来越低,在其顶部的温度大约是4300 K。光球层以上,温度到达极低之后,又会开始上升,从这里开始就是“色球层”(Chromosphere)。
日食时我们有时可以看到太阳周围一圈玫瑰红色的辉光,就是色球层的光,所以叫它色球。色球层大约两三千公里厚,但也有其他观点反对,甚至有科学家认为有2万公里厚。总之色球层上边界是一个温度陡增的区域。色球层的温度大约是1万K。
刚才说到色球层上边界是一个温度陡增的区域,这里有些人命名为过渡区(Solar transition region)。
它的范围小于1000公里,但是在这里温度可以从1万K升到50万K。很多分层方法并不把过渡区当成单独的圈层。经过温度陡增之后,大约1万到2万公里高,太阳大气温度就可以达到150万K,其与光球、色球有非常显著的不同,所以这上方定义为太阳大气的最外层,也就是“日冕”(Corona)。由于太阳风是来自日冕的物质流,所以广义的日冕包括了太阳风所能达到的范围,也就是超过150亿公里的范围。
日冕的温度随高度增加较为缓慢,几乎是均匀的,所以才会有学者把过渡区单独当作圈层。
去年8月,帕克升空,预计2025年将到达距离太阳仅约590万千米的地方,开展人类历史上第一次太阳活动的源头采样。现在,帕克探测器飞到了距离太阳约2400万公里的近处,是人类航天器之最,而一些重要的观测成果就在其飞越近日点时获得的。未来它还会在围绕太阳旋转的过程中更加接近太阳,其设计的轨道如下图的红线所示。
宇宙“真空”不是真的空,在太阳和地球这些星球的周围,其实有许多物质粒子。我们常说的太阳风,就是来自太阳的等离子体流,其中还包含着太阳的磁场(称为磁冻结);从太阳出发到我们地球,远到冥王星,甚至远到上百倍日地距离(超过150亿公里),这中间的宇宙空间,其中都充满着太阳风等离子体(虽然密度非常低)以及太阳的磁场,而它们都来自太阳大气的外层。
帕克探测器就是在距离太阳较近的太阳等离子体中探测其性质,帮助我们了解更多的太阳知识。例如,这次新发表的成果中,帕克探测器的探测数据显示,太阳附近的磁场与我们在地球附近探测到的性质不同,非常不稳定,能在短时间内大幅度甚至180度旋转,这完全出乎了科学家们的预料。未来,期望帕克能为我们解开更多太阳大气的奥秘!