我国太阳风起源研究获系列进展

2011-10-17 09:30 来源: 科学时报
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极区冕洞的太阳风初始外流在漏斗状开放磁结构的高度形成

  过去几年中,美国宇航局多次发出警告:2013年太阳会再次苏醒,达到其活动高峰,可能会爆发更多强太阳风暴。如果一切成真,人类又没有得力的应对措施,它会给我们带来巨大经济损失。

 
太阳打“喷嚏” 地球就“发烧”

  1859年,英国天文学家卡林顿在观察太阳黑子时,发现太阳表面出现了一道小小的闪光,它持续了几分钟。卡林顿认为自己碰巧看到一颗大陨石落在太阳上。

  后来,有了更精良的观测仪器,科学家发现这种太阳闪光和陨石毫不相干。有时,闪光过后地球上会一再出现奇怪的事情。一连几天,极光都很强烈,甚至在温带地区都能看到。罗盘的指针也会不安分起来,发狂似的摆动。

  随着科技的进步,极光的奥秘也渐为人知,原来,这美丽的景象是太阳风与地球磁场合作表演的作品。另外彗星的两条尾巴中的离子彗尾(另一条被称为尘埃彗尾)也由太阳风造成,当彗星靠近太阳时,周围的气体会被太阳风吹到后面,形成长长的离子彗尾。

  太阳风是来自太阳的一种稀薄而炽热的等离子体物质流,主要成分是质子和电子。它的速度可达800公里/秒,是影响日地空间环境和空间天气的主要原因之一。

  “太阳风和太阳爆发的概念与我们日常天气中的风和风暴有点类似。”山东大学威海分校空间科学与物理学院教授夏利东对《科学时报》记者说,“相对时有发生的太阳爆发而言,太阳风在行星际空间中属于常态存在,它有高速风和低速风之分,高速流和低速流相互作用可以形成所谓的‘共转相互作用区’,它和地球磁层相互作用也能产生磁暴等影响航天器和航天员安全的杀手电子。特别是在太阳活动周的下降和极小期,较大的爆发比较少,影响地磁活动的主要因素便是冕洞高速太阳风及由此形成的‘共转相互作用区’。”

  太阳的活动对地球至关重要。资料表明,太阳风暴会引起地磁暴、电离层暴,并影响通讯,对地面的电力网、管道发送强大地磁感应电流,影响输电、输油、输气管线系统的安全。一次太阳活动导致的辐射增强对人体来说很容易达到多次X线检查的辐射量。它还会引起人体免疫力下降,情绪波动,甚至造成车祸增多,气温增高。

  科学家形象地把太阳风暴比喻为太阳打“喷嚏”。太阳一打“喷嚏”,地球往往会发“高烧”。

 
逐日观风

  自人类观测到太阳风以来,太阳风的形成机制就成为人类想揭开的自然秘密。

  尽管太阳风研究已经有半个多世纪的历史,但是太阳风起源问题目前还没有得到最后解决。主要原因是没有卫星能靠近太阳去观测,所有对其起源的研究都是基于模型得来的假说。为了了解太阳风起源和加速的本质,美国计划在不久的将来发射一颗太阳观测卫星,它能到达七八个太阳半径的位置去实测太阳风。

  几年前,在空间天气预防方面,我国除使用部分国内资料外,绝大部分要依靠国外资料。因此提高我国对日地空间天气及其引发的磁暴、高能粒子等危害的预报能力迫在眉睫。

  2003年1月,在国家自然科学基金委地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上,中科院院士涂传诒等人提出的“夸父计划”科学思想和基本概念得到了很多单位和专家的支持。

  随后,在国家自然科学基金委重点项目等的支持下,多个科研单位和高校在“夸父计划”的科学背景、科学目标以及为实现科学目标要求配置的有效载荷等方面展开了预先研究。“夸父计划”现已列入中国科学院空间科学探测先导性专项计划。

  “夸父计划”的实施将使我国自主深空探测距离从“嫦娥计划”的38万公里推进到150万公里,将显著提高中国在国际航天领域的地位和形象,从根本上改变我国空间天气业务主要依赖国外数据的现状,使我国成为国际上最重要的空间天气数据源之一。

  “太阳风源区遍布太阳表面,其起源过程中可能发生多个关键物理过程,这些物理过程控制着日冕的加热和太阳风的加速。因此,研究太阳风起源的物理过程是空间物理学的关键课题之一。但限于观测手段,很多理论都没有确认。”夏利东说,“对太阳风起源、源区的瞬态活动进行多温度的高时空和谱分辨率的诊断也是‘夸父计划’的科学目标之一。”

风生何处

  过去十年中,我国学者对太阳风在几种源区,包括极区和赤道冕洞、宁静区、冕流和活动区边缘的起源特征进行了系统研究,取得了在国际上有影响力的研究成果。

  空间物理学界曾普遍认为,太阳风来自太阳表面日冕辐射较弱的开磁场区域,这种区域被称为冕洞。我国学者利用卫星观测资料及日冕三维磁场构建技术,获得了冕洞源区的物理特性,发现太阳风初始流动起源于色球网络组织单极磁场凝聚区,并且形成具有约10 公里/秒的初始速度。

  2005年,以涂传诒为首的中德科学家小组在美国《科学》杂志发表研究论文,首次重构极区冕洞开放磁场的三维结构,确定太阳风初始外流的形成高度,由此提出了三维太阳风起源新图像:太阳风起源所需的物质和能量由周围的中尺度闭合磁圈被对流携带与位于色球网络的开放漏斗状磁结构发生重联而供应。

  随后,我国学者还进一步分析了过渡区以上低日冕的多普勒蓝移随温度的变化趋势,找到了太阳风外流初始加热、加速的证据,与太阳风沿多个磁漏斗外流并在日冕里汇合的图像相吻合。此外,创建了物质和能量由流管中部供应的太阳风起源新模型,重现观测得到外流加热和回流冷却。

  “对太阳风起源的新构想得到学术界的重视。国外有学者评价为‘具有里程碑意义的成果’,使人们对太阳风源区有了更好的理解。” 北京大学地球与空间科学学院教授何建森说。

  《空间研究进展》杂志指出,如果这一概念正确,它将挑战旧的概念,从根本上改变我们对于太阳风形成的观点。