地球大气有分层,那么太阳大气分几层?
2019-12-25 18:00

地球大气有分层,那么太阳大气分几层?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:王铮,题图来自:Pexels


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。


帕克探测器艺术图(图片来源:https://media.nature.com/)


太阳大气外围(图片来源:https://www.nasa.gov/)


说到大气,不由得让我们联想到地球周围包裹的大气层。我们研究地球大气的时候,会根据其各种参量的性质分成一些圈层:靠近地面的部分称为对流层,密度大、下热上冷,因为冷热带来的密度变化进行着气体与能量的对流,风雨雷电都产生在这里;向上有平稳的平流层、过渡的中间层、越往上温度越高的热层等。


中性大气参量随高度变化(图片来源:熊年禄等《电离层物理概论》)


地球大气能够分层,是因为空气分子在地球重力、太阳辐射加热以及其他物理过程的作用下,其密度、温度等性质出现了明显变化。那么,太阳大气有没有分层,分层的依据是什么呢?


太阳大气究竟分几层?


太阳大气的分层有一定的任意性,其实也不完全统一。比较广泛接受的分层同样与温度有关,是按照一定模式计算出来温度剖面,根据剖面的变化性质划分的。太阳大气从内到外主要分为光球层、色球层、过渡区和日冕。各个层当中都存在许多大尺度的结构,一些结构可以贯穿多个圈层,而且由于其复杂的加热和磁场结构,各个圈层的高度、厚度等也存在很多争议,不过我们大多认同这些高度层次的划分。


作为一个气态星球,太阳其实分为内外的结构,内部产生的巨大能量对流传递到外层后,从光球层开始发出太阳光。光球可以看成一个发光壳,光球外边(上面)的部分对于光球发出的光线是透明的,我们称之为太阳大气;相反,光球以内(下面)的区域气体密度过高,内层气体的辐射会被外层吸收,故而表现为非透明区域,则为太阳内部,其性质目前主要靠理论推算。我们对太阳的直接观测其实基本都是对太阳外部的大气的观测。


太阳内部和大气的分层示意图,从“光球层”(Photosphere)开始以上是太阳大气(图片来源:http://physics.uoregon.edu/)


区分太阳内部和外部的“光球层”(Photosphere),就是太阳大气的开端。上边的示意图给出的就是太阳大气温度从光球层开始向上的变化趋势。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。


另外,正因为光球层的辐射光谱大约对应于5700 K(热力学温度,也称开氏温度,也就是-273.15°C的最低温设定为0度的温度计量法)的黑体辐射,所以我们才说太阳表面温度大约是6000 K。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。


太阳大气温度随距离的变化以及分层示意图(图片来源:https://www.aanda.org/)


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。这种红色是因为光谱中Ha线(636.3nm)辐射占优势而呈现出来的。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。


1999年日食期间对太阳色球层的拍照(图片来源:https://cseligman.com/)


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。


日冕中的密度已经很低了,且在这样高的温度之下,太阳大气的成分是完全电离的,甚至一些元素的原子中较为内层的电子也电离逃逸,出现一些在地球上自然情况无法出现的离子(例如铁原子丢掉13个电子形成离子)。日冕的损失能量主要来自太阳风和色球层的热传导,辐射损失不是主要的,其辐射并不强,它的亮度只有日球层的百万分之一,所以也要在日食期间才适合观测。不过,科学家们发明了日冕仪,就能对日冕进行持续观测。


2006年日食期间对太阳日冕的拍照(来源:https://cseligman.com/)


还有一些学者对日冕又进行了一些细分,分成内、中、外日冕等,一般是根据日冕光谱的性质。这里用一些专业的属于简单介绍,感兴趣的朋友可以再去搜索名词的解释。日冕射线由3部分组成:


(1)由自由电子汤普逊散射来自光球的辐射形成的偏振的连续光谱,没有吸收线,称为K日冕;


(2)由黄道面内行星际尘埃粒子散射来自光球的辐射形成不偏振的连续光谱,其中含有夫琅和费线,称为F日冕,又称为“内黄道光”;


(3)所有日冕的分立辐射线的总和,称为E日冕或L日冕。


上边提到的一些日冕细分例如K日冕主要来自2.3倍太阳半径以内、F日冕主要来自2.3倍太阳半径以外,所以把色球层顶到2.3倍太阳半径之间称为内日冕、2.3倍太阳半径以外称为外日冕。同时这也与太阳磁场有关,大约2.5倍太阳半径以内磁场有闭结构,但这个距离以外只有开结构。


太阳大气还有什么秘密?等帕克告诉我们


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。


另外,如果大家对帕克探测器在宇宙中的实时位置感兴趣,可以在NASA的网址(http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/index.php#Where-Is-PSP)进行查看。


帕克太阳探测器已经飞过(绿色)和未来的轨道(图片来源:https://blogs.nasa.gov/)


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!


作者单位:中国科学院国家空间科学中心


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:王铮

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