认识磁化太阳

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-03-05 19:41:08 | 作者:Melipal 译 | 来源:NASA | 浏览:1041次 ]

原文标题:NASA: Understanding the Magnetic Sun

作者:Sarah Frazier   原文来自:NASA   Posted: 2016. 1. 29

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

太阳的表面在扭曲舞动。太阳的活动远非在地球上看到的黄白色宁静圆盘,而是会抛出高耸而扭动的圈环,还有打旋的龙卷风,它们会一直抵达太阳的高层大气——温度达到上百万度的日冕,但并不能在可见光波段被观测到。在20世纪50年代,我们第一次瞥见了这些舞动的太阳物质,它们只会发出肉眼看不到的辐射。

当瞥见这个动态系统之后,下一步就是要了解其背后的成因了。为了实现这个目的,可进行结合实时观测与计算机模拟,更好地分析物质在日冕中的运行路径。我们知道,这个问题的答案实际上是,太阳是一颗巨型磁化恒星,是由遵循电磁学定律运行的物质组成的。

NASA戈达德中心的太阳科学家霍利·吉尔伯特(Holly Gilbert)在解释太阳磁场的计算机模型。了解驱动磁场系统的原因对于了解整个太阳系空间本质来说是至关重要的:太阳不可见的磁场驱动着一切,从导致地球附近空间天气变化(如极光)的太阳爆发,到我们的太阳系探测器必须要经过的行星际磁场和辐射场,不一而足。点击下载NASA戈达德科学可视化工作室提供的高清视频(图片提供:NASA's Goddard Space Flight Center/Duberstein)

来自马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)NASA戈达德太空飞行中心的迪恩·佩斯尼尔(Dean Pesnell)说:“我们并不太确定太阳的磁场是如何形成的。它可以是靠近太阳表面的,也可能埋藏在太阳内部的深处,或是分布在很宽的深度范围内。”

对于了解整个太阳系范围内的空间本质来说,认识驱动磁场系统的原因是至关重要的:太阳的磁场控制着一切,从导致地球附近空间天气变化(如极光)的太阳爆发,到我们的太阳系探测器必须要经过的行星际磁场和辐射场,不一而足。

那么我们如何才能看到这些不可见的磁场?首先,我们要观测太阳上的物质。太阳由等离子体组成,这是一种类似气体的物态,其中电子与离子分离开来,形成了带电粒子的超热混合物。当带电粒子运动的时候,它们就会自然产生磁场,磁场转而对粒子的运动带来额外的影响。因此在太阳上的等离子体形成了一个复杂的因果系统,等离子体就在这样的系统中在太阳内部流过——它们被太阳中心核聚变反应生成的海量热量搅起——并形成了太阳的磁场。这样的系统被称作太阳发电机。

我们可以观测到太阳表面之上的磁场形态,原因是磁场引导着等离子体的运动——在极紫外图像中,圆环以及高耸的日冕物质发出了明亮的光芒。此外,这些磁环在太阳表面(光球)上的足点也可以使用磁像仪进行更为精确的测量,这种仪器测量的是磁场的强度与方向。

接下来,科学家要借助理论模型。他们将观测(对太阳表面磁场强度和方向的测量)与对太阳物质运动情况和磁场的认识结合起来,以填补其中的空白。势场源表面(Potential Field Source Surface,PFSS)模型(如上图与相应动画所示)可以帮助我们描绘磁场在太阳周围确切的起伏。PFSS这样的模型可以让我们很好地认识太阳磁场在日冕(甚至还有太阳背面)的形态。

对太阳磁场的完整认识(包括磁场究竟是如何产生的,它在太阳内部深处的结构如何)还没有露出水面,不过科学家已经了解了很多东西。其中的一点是,我们知道太阳的磁场系统驱动着为期约11年的太阳活动周期。在每次喷发过后,太阳的磁场会略微变得平滑,最终达到最简单的状态。在这一时刻,太阳迎来了极小年,此时太阳爆发的频率最低。从这之后,太阳的磁场随着时间的推移会变得愈发复杂,直到抵达上一次极大年过后约11年的下一个极大年。

佩斯尼尔说:“在太阳极大年,它的磁场形态极为复杂,遍布大量的小型结构,这些就是我们看到的活动区。在太阳活动极小年,磁场较弱,而且更集中于极区。此时的太阳磁场结构非常平滑,不会形成黑子。”

下面这张对比图可以看出磁场在2011年1月到2014年7月间的变化和消长情况。你可以看到在太阳极小年3年过后的2011年,磁场更加集中在极区。到了2014年,磁场变得更加纠缠混乱,为耀斑以及日冕物质抛射等太阳活动的发生创造了成熟条件。

(示意图)这对对比图展示了2011年1月(左)与太阳极小年3年之后的2014年7月(右)期间太阳磁场的相对复杂程度。2011年1月距离太阳活动极小年已经过去了3年,此时的磁场仍旧相对简单,开放磁力线集中在极区附近。在2014年7月的太阳活动极大年,磁场结构更加复杂,其闭合和开放磁力线从各处涌出,对于太阳爆发来说,这是理想的条件。点击下载NASA戈达德科学可视化工作室提供的高清视频(图片提供:NASA's Goddard Space Flight Center/Bridgman)

(全文完)

Tags:太阳 磁场

责任编辑:Melipal

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