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谁是太阳活动的“幕后推手”

2018-01-25 10:39 来源:科技日报 刘园园

太阳黑子分布以11年为周期发生变化。图中横轴为年份,纵轴为太阳赤纬。

  黑子、耀斑、日冕物质抛射……太阳以各种不同的方式展现着自身强大的能量,你可知道——

  说起地球磁场,我们立即会想到一幅典型画面:一根根规则的磁力线连着南极和北极,像个圆形的笼子把地球罩在里面。

  但是,太阳磁场可就大不同了。

  前不久,中国科学技术大学教授刘睿等人在《自然·通讯》杂志上发表论文,揭示了“太阳磁绳”的结构和形成过程。

  太阳磁绳听起来有点陌生,其实它是由一组螺旋形的磁力线组成。如果你看一张太阳磁力线的示意图,会发现这些磁力线乱七八糟,极不规则。而这正与太阳磁场的特点有关。

  磁场:太阳活动的源动力

  “磁场是引起太阳活动的一个根本原因,可以说,太阳上所有的活动都是磁活动。”深圳市天文台郑建川博士介绍。

  太阳物质是等离子体,整个太阳就是一个等离子体球。郑建川说,这些等离子体会和太阳内部产生的磁场相互作用,呈现不同的运动形式。磁场越强,运动越剧烈。

  所以,太阳磁场是黑子、耀斑、日冕物质抛射等各种太阳爆发活动的幕后推手。用中科院国家天文台张枚研究员的话说,科学家一般认为太阳风暴的驱动能量都来源于太阳磁场。

  “黑子就是太阳磁场的一种体现形式。” 郑建川介绍,科研人员观测到有太阳黑子的地方,往往磁场强大,能够达到千高斯量级。而地球磁场不过几高斯而已,也就是说,太阳磁场强度是地球磁场的上千倍。

  科研人员可以在太阳的光球层观测黑子,而耀斑和日冕物质抛射则出现在日冕层。当太阳的能量聚集到一定程度,就会出现局部突然增亮,即耀斑。然后高能粒子会从日冕层抛射出来,也就是出现日冕物质抛射。

  “耀斑和日冕物质抛射等,主要是太阳上的磁能转化为热能和高能粒子的动能。”郑建川说。

  太阳磁场活动与人类的生产生活息息相关。

  郑建川举例说,太阳磁场活动引发的耀斑、日冕物质抛射等太阳剧烈活动,会向宇宙空间抛射大量高能粒子。人类宇航员如果在此期间从太空飞船上出舱工作,会出现生命危险。

  而且这些高能粒子还会对地球上的电力、通讯造成巨大干扰。1989年的太阳耀斑爆发事件,就曾导致加拿大大范围的电网瘫痪。

  磁绳:研究太阳磁场的重要线索

  作为太阳磁场的重要体现形式,黑子往往在太阳的南北半球成对出现。其中一个黑子的磁力线从日面指向太阳之外,这是磁场的正极,另外一个黑子的磁力线从日面指向日心,代表磁场的负极。

  一个完整的太阳黑子包含本影和半影。本影就是黑子最黑和最中心的地方。本影之外,不那么黑,并有一些纤维的结构叫做半影。

  “本影区域,它的磁力线方向也就是磁场的方向基本是垂直于日面的。”郑建川介绍,在半影区域,越是靠近黑子边缘,磁力线就越倾斜。到最边缘的地方,几乎与日面平行。

  太阳上到处都有磁场,只要存在黑子活动区,就会看到磁力线的进进出出,如此一来,就会看到太阳上的磁力线杂乱无章地分布于整个日面上。

  太阳中的等离子体剧烈运动,磁场也十分活跃。因此这些磁力线并不会乖乖静止在太阳表面。而是会像绳子一样一束一束地扭缠在一起,这就是所谓的“太阳磁绳”。

  郑建川介绍,太阳磁绳扭缠在一起,能量聚集到一个临界点后,就会把磁场的能量转化为热能或动能,出现太阳爆发活动比如耀斑或日冕物质抛射。

  而磁绳扭缠方式的不同,或者运动方式的不同,太阳爆发活动的级别或形式也会有所不同。因此,太阳磁绳就会成为研究太阳磁场的重要线索。

  另外,太阳磁绳或许还可以用来解释太阳上的磁重联现象。所谓磁重联,就是太阳表面的磁力线会出现断开,之后又重新联上的现象。

  磁极:每11年反转一次

  通过研究黑子,科研人员获悉了太阳磁场的很多特征。

  郑建川介绍,黑子并不是均匀分布在太阳表面,它们在靠近赤道的区域比较密集,越往高纬度越少,整体出现在太阳的南纬60°到北纬60°之间。

  而且,太阳上的磁极每隔11年就会出现一次反转。“这11年内,太阳活动也会出现变化,也就是有太阳活动峰年和谷年。峰年太阳活动最频繁,谷年则太阳活动最少。”郑建川说。

  如果以时间为横轴,以太阳的南北纬度为纵轴,画出太阳上黑子的分布,就会发现每个11年内,黑子都是刚开始比较少,慢慢增多,然后再减少。另外,无论是太阳的南半球,还是北半球,黑子活动区域都会逐渐从高纬度向赤道靠近。这样太阳上的黑子活动区形成了蝴蝶图案,每隔11年就会出现一只“蝴蝶”。

  “这两年太阳活动比较少,正处于太阳活动的谷年,整个日面的黑子数量都很少。”郑建川说,而2013年和2014年是太阳活动的峰年,太阳活动相对比较剧烈。

  至于为什么太阳磁场每隔11年就会反转一次,又要谈到解释太阳磁场的“发电机理论”。

  郑建川介绍,太阳“发电机理论”认为,太阳磁场是在对流区底部产生,由于太阳的较差自转和磁浮力的作用,磁场浮现在太阳表面形成黑子区域。随着活动区的演化,在子午环流的作用下,后随黑子磁场逐渐被输运到极区之后又沉入太阳内部,进入下一个活动周,实现磁极性反转。

  磁场来源:仍是未解之谜

  郑建川告诉记者,目前对于太阳磁场的研究,主要有理论和观测两种方式,对太阳磁场的观测已经涵盖各个波段。关于太阳磁场,还有很多未解之谜有待揭开。

  比如,太阳磁场到底是如何产生的?

  “虽然有太阳磁场‘发电机理论’对此进行解释,但是对太阳的观测主要停留在太阳表面,然后通过模拟、计算来推测内部的情况。”郑建川说,比如太阳磁场每隔11年就会反转,说明太阳磁活动周期为22年,这可以通过观测直接得到,但是为什么会有22年的周期还有待进一步研究。

  另外,科研人员还十分感兴趣的问题是,太阳表面的温度是6000多摄氏度,但是日冕的温度却是几百万摄氏度。太阳的能量来自太阳的核心,既然太阳的表面使6000多摄氏度,为何更靠外的日冕却突然增高如此之多?这也是一个有待回答的问题。

  “科学家一般认为,大部分恒星都是有磁场的。”张枚告诉记者,通过研究太阳磁场,科研人员可以推测其他恒星的磁场情况。

(责任编辑:王蔚)

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