描述日冕质量抛射的理论模型首次得以验证

2010-11-09 09:32 来源: 中国科学院
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  美国海军实验室科学家8日表示,借助双卫星组成的日地关系观测系统(STEREO),他们首次能够利用理论模型正确地解释太阳表面受磁力驱动而喷发的等离子体云团的运动。相关研究将在第52届美国物理学会等离子体物理专业年会上公布。

  太阳偶发性向外喷射万亿吨氢气的情形被称为日冕质量抛射。人们通过科学仪器观测到的日冕质量抛射如同从太阳表面产生的向外喷射的云团,该云团由磁化的高温氢等离子体组成,体积庞大。在磁力的作用下,太阳喷射出的等离子体的速度在不到一分钟内被加速至每秒数百公里至2000公里。日冕质量抛射与太阳耀斑(日晕)密切相关,当抛射的等离子体到达地球时,可引起极光,还会在地球的等离子体大气层中感应生成强电流,导致通信和全球定位系统中断,甚至电力供应网瘫痪。

  人类于1859年首次观察到太阳耀斑后,日冕质量抛射便吸引了全球众多科学家的注意。为更好地认识太阳和地球系统的相互关系,美国国家航空航天局实施了太阳地球探索项目(STP)的第三项行动,于2006年10月发射了由两颗卫星组成的日地关系观测系统(STEREO),它能不间断地观察氢等离子体从太阳到地球的整个过程中的结构变化。

  解释太阳喷射的等离子体云团运动的理论所基于的概念是太阳表面喷发的等离子体云为一个巨大的“磁通量绳”(magnetic flux rope),此条由“扭曲”磁力线构成的“磁通量绳”形状如同一个不完整的圆环。1989年,美国海军研究实验室詹姆斯·陈博士率先提出该理论时,引起了科学界的争议。此次,陈博士和乔治梅森大学的博士生瓦尔伯纳·昆克尔将理论模型应用于STEREO新获取的有关太阳日冕质量抛射数据,结果显示该理论与人们在太阳到地球整个观察区域中所测量的喷射云团轨迹的情况完全吻合。

  据悉,科学家分析的是2007年12月24日发生一次的太阳日冕质量抛射。当时,STEREO中的卫星A从喷射初期就开始跟踪此次日冕质量抛射前沿的运动轨迹,卫星B则跟踪测量磁场和等离子体的参数。观测过程持续了5天。经过将理论模型与实际测量的数据进行对比,陈博士和昆克尔发现两者之间关于抛射前沿的差异小于1%,而磁场和等离子体的特征完全相符。

  有趣的是,作用在太阳“磁通量绳”上的基本力与实验室中等离子体结构(如用于受控核聚变的托卡马克环装置)的作用力相同。陈博士提出的理论所阐述的机理还可以应用于其他恒星上发生的质量抛射现象。