编码中心
欢迎来稿
当前位置首页 > 科技新闻 > 正文

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)

热点推荐

SpaceX今年第7次发射  共向国际空间站运2.63吨物资

SpaceX今年第7次发射 共向国际空间站运2.63吨物资

据国外媒体报道,美国当地时间4月2日,SpaceX已成...

携手世界 为破解人类科学难题贡献中国智慧

携手世界 为破解人类科学难题贡献中国智慧

在蔚蓝的大海中,国际大洋钻探计划正在钻探地球的...

苹果允许用户彻底删除ID 重隐私者得天下

苹果允许用户彻底删除ID 重隐私者得天下

北京时间3月30日,据彭博社报道,苹果公司表示将在...

eSIM时代,运营商的末日还是新生

eSIM时代,运营商的末日还是新生

自近日中国联通宣布在国内首发Apple Watch Series ...

首枚会变色的“心脏芯片”问世

首枚会变色的“心脏芯片”问世

东南大学生物医学工程学院生物电子学国家重点实验...

“科学”号调查麦哲伦海山

“科学”号调查麦哲伦海山

海山是世界海洋生物多样性研究的热点地区。在国家...

别了,“天宫” 你是永远的“一号”

别了,“天宫” 你是永远的“一号”

2011年9月29日,你乘坐长征二号F运载火箭离我们而...