劉園園
黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射……太陽以各種不同的方式展現(xiàn)著自身強大的能量,你可知道——
說起地球磁場,我們立即會想到一幅典型畫面:一根根規(guī)則的磁力線連著南極和北極,像個圓形的籠子把地球罩在里面。
但是,太陽磁場可就大不同了。
前不久,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授劉睿等人在《自然·通訊》雜志上發(fā)表論文,揭示了“太陽磁繩”的結(jié)構(gòu)和形成過程。
太陽磁繩聽起來有點陌生,其實它是由一組螺旋形的磁力線組成。如果你看一張?zhí)柎帕€的示意圖,會發(fā)現(xiàn)這些磁力線亂七八糟,極不規(guī)則。而這正與太陽磁場的特點有關(guān)。
1 磁場:太陽
活動的源動力
“磁場是引起太陽活動的一個根本原因,可以說,太陽上所有的活動都是磁活動?!鄙钲谑刑煳呐_鄭建川博士介紹。
太陽物質(zhì)是等離子體,整個太陽就是一個等離子體球。鄭建川說,這些等離子體會和太陽內(nèi)部產(chǎn)生的磁場相互作用,呈現(xiàn)不同的運動形式。磁場越強,運動越劇烈。
所以,太陽磁場是黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等各種太陽爆發(fā)活動的幕后推手。用中科院國家天文臺張枚研究員的話說,科學(xué)家一般認為太陽風(fēng)暴的驅(qū)動能量都來源于太陽磁場。
“黑子就是太陽磁場的一種體現(xiàn)形式。”鄭建川介紹,科研人員觀測到有太陽黑子的地方,往往磁場強大,能夠達到千高斯量級。而地球磁場不過幾高斯而已,也就是說,太陽磁場強度是地球磁場的上千倍。
科研人員可以在太陽的光球?qū)佑^測黑子,而耀斑和日冕物質(zhì)拋射則出現(xiàn)在日冕層。當(dāng)太陽的能量聚集到一定程度,就會出現(xiàn)局部突然增亮,即耀斑。然后高能粒子會從日冕層拋射出來,也就是出現(xiàn)日冕物質(zhì)拋射。
“耀斑和日冕物質(zhì)拋射等,主要是太陽上的磁能轉(zhuǎn)化為熱能和高能粒子的動能?!编嵔ùㄕf。
太陽磁場活動與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。鄭建川舉例說,太陽磁場活動引發(fā)的耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽劇烈活動,會向宇宙空間拋射大量高能粒子。人類宇航員如果在此期間從太空飛船上出艙工作,會出現(xiàn)生命危險。
而且這些高能粒子還會對地球上的電力、通訊造成巨大干擾。1989年的太陽耀斑爆發(fā)事件,就曾導(dǎo)致加拿大大范圍的電網(wǎng)癱瘓。
2 磁繩:研究太陽磁場的重要線索
作為太陽磁場的重要體現(xiàn)形式,黑子往往在太陽的南北半球成對出現(xiàn)。其中一個黑子的磁力線從日面指向太陽之外,這是磁場的正極,另外一個黑子的磁力線從日面指向日心,代表磁場的負極。
一個完整的太陽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,并有一些纖維的結(jié)構(gòu)叫做半影。
“本影區(qū)域,它的磁力線方向也就是磁場的方向基本是垂直于日面的。”鄭建川介紹,在半影區(qū)域,越是靠近黑子邊緣,磁力線就越傾斜。到最邊緣的地方,幾乎與日面平行。
太陽上到處都有磁場,只要存在黑子活動區(qū),就會看到磁力線的進進出出,如此一來,就會看到太陽上的磁力線雜亂無章地分布于整個日面上。
太陽中的等離子體劇烈運動,磁場也十分活躍。因此這些磁力線并不會乖乖靜止在太陽表面。而是會像繩子一樣一束一束地扭纏在一起,這就是所謂的“太陽磁繩”。
鄭建川介紹,太陽磁繩扭纏在一起,能量聚集到一個臨界點后,就會把磁場的能量轉(zhuǎn)化為熱能或動能,出現(xiàn)太陽爆發(fā)活動比如耀斑或日冕物質(zhì)拋射。
而磁繩扭纏方式的不同,或者運動方式的不同,太陽爆發(fā)活動的級別或形式也會有所不同。因此,太陽磁繩就會成為研究太陽磁場的重要線索。
另外,太陽磁繩或許還可以用來解釋太陽上的磁重聯(lián)現(xiàn)象。所謂磁重聯(lián),就是太陽表面的磁力線會出現(xiàn)斷開,之后又重新聯(lián)上的現(xiàn)象。
3 磁極:每11年反轉(zhuǎn)一次
通過研究黑子,科研人員獲悉了太陽磁場的很多特征。
鄭建川介紹,黑子并不是均勻分布在太陽表面,它們在靠近赤道的區(qū)域比較密集,越往高緯度越少,整體出現(xiàn)在太陽的南緯60°到北緯60°之間。
而且,太陽上的磁極每隔11年就會出現(xiàn)一次反轉(zhuǎn)?!斑@11年內(nèi),太陽活動也會出現(xiàn)變化,也就是有太陽活動峰年和谷年。峰年太陽活動最頻繁,谷年則太陽活動最少?!编嵔ùㄕf。
如果以時間為橫軸,以太陽的南北緯度為縱軸,畫出太陽上黑子的分布,就會發(fā)現(xiàn)每個11年內(nèi),黑子都是剛開始比較少,慢慢增多,然后再減少。另外,無論是太陽的南半球,還是北半球,黑子活動區(qū)域都會逐漸從高緯度向赤道靠近。這樣太陽上的黑子活動區(qū)形成了蝴蝶圖案,每隔11年就會出現(xiàn)一只“蝴蝶”。
“這兩年太陽活動比較少,正處于太陽活動的谷年,整個日面的黑子數(shù)量都很少?!编嵔ùㄕf,而2013年和2014年是太陽活動的峰年,太陽活動相對比較劇烈。
至于為什么太陽磁場每隔11年就會反轉(zhuǎn)一次,又要談到解釋太陽磁場的“發(fā)電機理論”。
鄭建川介紹,太陽“發(fā)電機理論”認為,太陽磁場是在對流區(qū)底部產(chǎn)生,由于太陽的較差自轉(zhuǎn)和磁浮力的作用,磁場浮現(xiàn)在太陽表面形成黑子區(qū)域。隨著活動區(qū)的演化,在子午環(huán)流的作用下,后隨黑子磁場逐漸被輸運到極區(qū)之后又沉入太陽內(nèi)部,進入下一個活動周,實現(xiàn)磁極性反轉(zhuǎn)。
4 磁場來源:仍是未解之謎
鄭建川告訴筆者,目前對于太陽磁場的研究,主要有理論和觀測兩種方式,對太陽磁場的觀測已經(jīng)涵蓋各個波段。關(guān)于太陽磁場,還有很多未解之謎有待揭開。
比如,太陽磁場到底是如何產(chǎn)生的?
“雖然有太陽磁場‘發(fā)電機理論對此進行解釋,但是對太陽的觀測主要停留在太陽表面,然后通過模擬、計算來推測內(nèi)部的情況。”鄭建川說,比如太陽磁場每隔11年就會反轉(zhuǎn),說明太陽磁活動周期為22年,這可以通過觀測直接得到,但是為什么會有22年的周期還有待進一步研究。
另外,科研人員還十分感興趣的問題是,太陽表面的溫度是6000多攝氏度,但是日冕的溫度卻是幾百萬攝氏度。太陽的能量來自太陽的核心,既然太陽的表面是6000多攝氏度,為何更靠外的日冕卻突然增高如此之多?這也是一個有待回答的問題。
“科學(xué)家一般認為,大部分恒星都是有磁場的。”張枚告訴筆者,通過研究太陽磁場,科研人員可以推測其他恒星的磁場情況。