有趣的科普知識：太陽的大氣層比太陽本身還熱

可見的太陽表面，或者說光球?qū)樱瑴囟却蠹s是6000°C。但是在它上方幾千公里的地方——太陽大氣，也被稱為日冕，要熱上百倍，達到一百萬攝氏度或更高。

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

最近的研究驗證了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。

日冕加熱問題自20世紀30年代末以來就已經(jīng)確立，當時瑞典光譜學家Bengt Edlén和德國天體物理學家Walter Grotrian首次觀察到日冕現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只有在溫度達到幾百萬攝氏度時才可能存在。Edlén和格羅特里安發(fā)現(xiàn)太陽日冕比光層熱得多——盡管它離太陽的核心更遠。

科學家們通過觀察太陽的特性來解釋這種差異。太陽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。這種等離子體在對流區(qū)——太陽內(nèi)部的上部——的運動產(chǎn)生了巨大的電流和強大的磁場。

這些磁場通過對流從太陽內(nèi)部拉起，以太陽黑子的形式出現(xiàn)在太陽的可見表面。太陽黑子是一組磁場，可以在太陽大氣中形成各種各樣的磁性結(jié)構(gòu)。

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

這些磁等離子體波現(xiàn)在被稱為Alfvén波，它們在解釋日冕加熱方面的作用使Alfvén獲得了1970年的諾貝爾物理學獎。

但是在實際觀測這些波的問題上仍然存在。在太陽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波的直接觀測證據(jù)以前是沒有實現(xiàn)過的。

如今，天文科學儀器的進步為我們研究太陽物理打開了一扇新的窗口。其中一種儀器是用于成像光譜學的干涉二維偏振光譜儀(IBIS)，安裝在美國新墨西哥州的鄧恩太陽望遠鏡上。這臺儀器使我們能夠?qū)μ栠M行更詳細的觀察和測量。

結(jié)合良好的觀測條件，先進的計算機模擬，以及來自七個研究機構(gòu)的國際科學家團隊的努力，科學家們使用IBIS最終第一次確認了Alfvén波在太陽磁通量管中的存在。

在太陽光球?qū)又兄苯影l(fā)現(xiàn)Alfvén波是在地球上開發(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，即太陽內(nèi)部發(fā)生的將少量物質(zhì)轉(zhuǎn)化為大量能量的過程。我們目前的核電站目前基本使用核裂變，而有批評者認為——核裂變會產(chǎn)生危險的核廢料——特別是在2011年發(fā)生在福島的災難中。

通過在地球上復制太陽的核聚變來創(chuàng)造清潔能源，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為我們?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。我們對太陽越來越多的了解表明，在合適的條件下，這是完全可能的。

由于新的突破性的任務和儀器，科學家也期待著更多的太陽觀測發(fā)現(xiàn)。歐洲航天局(European Space Agency)的太陽軌道衛(wèi)星(Solar Orbiter)目前正在圍繞太陽運行，提供圖像，并對這顆恒星未知的極地地區(qū)進行測量。在地球上，新的高性能太陽望遠鏡的揭幕也有望增強人類從地球上對太陽的觀測。

譯/前瞻經(jīng)濟學人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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