在太阳上荡起双桨，小黑子推开波浪
2020/10/4 7:00:00 科学大院
让我们荡起双桨
小船儿推开波浪
海面倒映着美丽的白塔
四周环绕着绿树红墙
小船儿轻轻 飘荡在水中
迎面吹来了凉爽的风
......
撰文 | 太阳活动的多波段观测研究团组
这首动听的歌曲，描绘了一副童年划船游玩时的欢快情景。在地球上，正是由于存在一种流体——液态水，人类才能够享受在其中划船、游泳带来的欢乐。然而，如果把这种流体换成太阳表面炽热的等离子体，在那里“划船”，该是一种什么样的体验呢？
最近，中国科学院紫金山天文台太阳活动的多波段观测研究团组与云南天文台同事一起利用天文望远镜非常幸运地观测到了一例在太阳表面运动(游泳)的小黑子，它告诉我们在太阳表面“划船”的感受。
太阳表面温度大约为5700多度，这一温度已经足以使电子脱离原子，从而成为等离子体态——物质的第四态。顾名思义，等离子体除了具有普通流体的特征，还主要受电磁力的支配。因此，在太阳上“划船”会产生一系列电磁现象，这些现象我们称之为磁流体力学过程。
如下图展示的，在小黑子沿着绿色轨迹快速“游动”的时候，在其前方不断地产生类似水波纹的现象，这其实就是等离子体的流体特性所带来的现象。另一方面，这些波纹结构还有一个非常明显的特征：它们要比周围环境暗很多，也就是说它们的温度要比周围低很多。然而，是什么原因导致黑子前方温度下降，这一度让研究人员非常费解。
运动黑子的前方发生了降温现象(论文链接：https://doi.org/10.3847/2041-8213/abb096)
其实，以往在太阳表面经常可以观测到这种纤维状的暗结构，我们称之为黑子半影。黑子半影是由于黑子本影的强磁场倾斜后，抑制了当地热对流，从而形成的一种相对冷暗的结构。从观测上看，黑子半影通常是以本影为中心，沿着径向向外排列的纤维状的结构。下图给出了太阳上的一个典型的黑子群，从中可见典型的黑子本影和半影结构。
处于太阳光球背景中的一个典型的黑子群，太阳光球背景像一锅煮沸了的稀饭，布满了热量往上传递的痕迹，即米粒组织。(图源：ESO网站)
综合以上观测特征，研究人员一开始认为，这次在小黑子前方的暗结构或许与黑子半影类似，都是因为磁场增强抑制了当地热对流传导，从而导致的气温下降。这一观点在随后的磁场测量上也得到了进一步的确认。但是，这个解释也有矛盾的地方：不管是成像观测还是磁场测量都显示，前方结构与小黑子并不相连，也就是说磁场并非来自于小黑子，其排列方向与通常观测的黑子半影明显不同。特别地，这些暗结构只在黑子运动的时候出现，当黑子减速后，便逐渐消失。那么，磁场到底来自于哪里？为什么暗结构只会在黑子运动的时候才产生呢？
通过理论计算，研究人员确信这是太阳等离子体的“电磁”特性在起作用。当黑子快速游动的时候，就像是一根导线在切割磁场，其内产生了非常明显的感应电流。出现感应电流后，周围的磁场就会阻碍黑子的运动。在这一过程中，黑子运动的动能便会转换为太阳局地的磁能，从而实现局地磁场的增强。当局地磁场足够强时，便开始抑制当地的热对流传导，从而形成冷暗的条纹状的结构。
从这一个事例来看，要想在太阳上“航行”，我们不仅要克服流体本身的阻力，还需要克服来自前方磁场的阻力。同时，前方的磁场会得到放大，航行的前方流体会变得黑暗。船儿减速或飘过以后，这些气体又变亮了。这一场景仿佛是在沸腾的烈焰中穿行，前方刺眼的火光自动退让，露出一条相对凉爽的通道，待通过以后，一切又被烈焰覆盖，风景可谓魅力十足。
最后用这首改编了的《让我们荡起双桨》表达在太阳上航行的感觉：
让我们荡起双桨
小黑子推开波浪
前面出现了魅力的磁场
四周环绕着沸腾的气浪
小黑子轻轻 飘荡米粒中
迎面刮来了凉爽的风
......
注：
1. 改编的歌曲来自“让我们荡起双桨” 作词：乔羽；作曲：刘炽
2. 前方磁场的出现，导致了温度降低，同时产生了对流的凉爽风。
封面图源：pixabay
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