能量通道——揭开日冕加热与太阳爆发之谜的钥匙
2018/6/22 7:30:00 中科院之声
“大漠孤烟直，长河落日圆”。太阳东升西落，日日不息，源源不断地为大地带来光和热，是地球和人类当之无愧的最重要的伙伴。
在科学发展日新月异的今天，我们对太阳的了解是我们的先人难以想象的：我们现在知道太阳是一个巨大炽热的气体星球，知道太阳光与热来源于其核心永不停息的巨型热核反应，知道太阳黑子的数量多少存在着大约11年的周期变化，甚至能够很有把握地回答我们的太阳是如何诞生以及它将如何走向终结等等问题。
但是，正如古希腊哲学家芝诺的名言 “人的知识就好比一个圆圈，圆圈里面是已知的，圆圈外面是未知的。你知道得越多，圆圈也就越大，你不知道的也就越多”，随着人类对太阳的了解不断加深，一些太阳问题的答案却始终“犹抱琵琶半遮面”，引得科学家们竞相追逐。
现在，这些问题的谜之面纱被渐渐揭开，让我们看看科学家们是如何探索揭开日冕加热与太阳爆发之谜的吧。
日冕加热之谜
太阳不是一个质地均匀的气体球，科学家经过研究发现，太阳更像一个巨型“大洋葱”。它的中心是核反应区，核反应区的外面一层层包裹着辐射区、对流区、光球层和色球层，最外层则是稀疏的太阳大气——日冕。
图1 太阳大气层结构示意图
我们肉眼所能见到的是太阳大气层的最底层，也就是光球层。光球层低层温度为6000度左右，并且随着高度升高而不断冷却。然而，从光球层顶部向上，温度不断地升高至几万度。再向上到即将进入日冕层的高度，温度则骤然陡升至百万度。
太阳大气不应该是离太阳越远越冷吗？为什么反而越来越热了呢？到底是什么原因使色球层和日冕层的温度达到上万乃至百万度呢？
这就是著名的色球和日冕加热问题。
近几十年来，专门研究太阳的太空望远镜和地面望远镜相继建成，试图解决色球和日冕加热问题。但是到目前为止，这个问题仍未有公认的结论。不过，科学家们也不是一无所获。
目前，科学家们就这个问题至少达成了一个共识：加热色球和日冕的能量来自于太阳内部。这就意味着，如果我们能够搞清楚太阳内部能量如何通过光球层传输到上层大气(色球和日冕层)，我们就能够解开日冕加热这个太阳物理世纪未解之谜。
太阳爆发之谜
永远不要被事物的表面现象所迷惑。太阳远远不像我们所以为的那样安静，它其实是一个狂暴的星球。
图2 日珥(该图由美国大熊湖望远镜拍摄)
太阳色球层不时喷射出高达数万公里的日珥，有时会突然出现一种名叫耀斑的剧烈爆发现象，一个中等大小的耀斑能够在极短时间内爆发出相当于1亿颗氢弹爆炸的能量。
图3 耀斑爆发(该图由日本国立天文台乘鞍观测站于1982年9月4日拍摄)
而在稀薄的太阳大气——日冕之中，一种名为日冕物质抛射的活动也能瞬间将大量物质抛射到数倍太阳半径之外。
图4 日冕物质抛射(该图片由 SoHO/LASCO 拍摄)
日珥、耀斑和日冕物质抛射，这些太阳爆发活动能够快速释放出大量能量，程度剧烈的可以将等离子态的气体物质吹到地球附近。
这些高能气体与地球磁场相互作用，既产生了梦幻般的极光，又干扰了地球大气的电离层，使得通信中断、导航失灵，更为严重的是会严重扰动地球磁场形成地磁暴，甚至导致输变电系统过载烧毁，出现大面积停电事故。因此，科学家们24小时监测太阳爆发活动，力求揭开太阳爆发之谜。
科学家发现，太阳爆发前有一个很重要的物理过程，那就是能量储存过程。当能量储存到一定程度，并受周围环境的扰动时，太阳上的大尺度磁场结构就会爆发并释放能量。而科学家也已经确认，这些能量也来自于太阳内部。
然而，能量是如何从太阳内部经过光球层向上传输并存储到这些大尺度磁场结构中的？目前，这个问题仍待解答。
能量通道：揭开日冕加热与太阳爆发之谜的钥匙
在对日冕加热与太阳爆发研究的过程中，科学家们意识到，必须解决太阳能量如何经光球层向上传输的问题，才有可能揭开日冕加热与太阳爆发之谜。那么，太阳是如何将能量从太阳内部输送到太阳高层大气的呢？
科学家们发现，承担输送能量这一重要任务的是太阳光球层中无数个细细的能量通道，它如同汗毛一样排列在太阳的表面。在太阳望远镜中，这些能量通道在光球层扎根的地方是一个个的光球亮点，这种可视化为能量通道的研究提供了条件，科学家们不再是“盲人摸象”了。
图5 光球亮点图像(该图由云南天文台抚仙湖一米新真空望远镜拍摄)
云南天文观测条件得天独厚，中国科学院云南天文台抚仙湖观测站是国际上知名的太阳天文台。近日，云南天文台太阳活动与 CME 理论组林隽研究员及其博士生刘艳霄等人，通过研究抚仙湖观测站一米新真空望远镜的高分辨率观测资料，发现有35%的光球亮点发生过分裂和融合，另外的65%没有发生过分裂和融合。太阳光球亮点的水平运动、分裂和融合等表现行为也可以理解为能量通道在光球层的水平运动、分裂和合并等演化。能量通道的研究由此获得重要进展。
这些能量通道如同一根根富有弹性的绳子，这些绳子直直地竖立在太阳大气层中。它们不断地分裂成更小的细绳，合并成更粗的绳子。这些绳子在太阳大气中还可以水平随机运动。绳子的运动会造成它们之间的相互缠绕和扭绞从而形成越来越大、越来越粗的绳子。
图6 能量通道之间的相互缠绕扭绞示意图
在这个过程中，能量通道在日冕层中的部分会因为扭缠而发生磁重联，磁重联是极性相反的磁力线相遇、断开并重新连接，同时释放能量的过程。现在科学家已经确认，磁重联对日冕加热有重要贡献，日冕加热之谜有望解开。
同时科学家还发现，能量通道会存储能量，而能量存储正是太阳爆发活动前的一个重要物理过程。如果能掌握日冕中能量通道的能量存储物理过程，就可以更好地为太阳爆发活动提供预警预报，太阳爆发之谜也将彻底揭晓。
来源：中国科学院云南天文台
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