作者 ｜ 李木子
按說離熱源越遠(yuǎn)，空氣就越冷。奇怪的是，太陽的情況卻并非如此。如今，新西蘭科學(xué)家可能已經(jīng)找到其中的關(guān)鍵原因。
太陽表面溫度約6000攝氏度，但在距離太陽表面短短幾百公里距離內(nèi)，溫度會(huì)突然升高到100多萬攝氏度，成為太陽的大氣層，也就是日冕。
“溫度如此之高，以至于氣體脫離了太陽的引力，成為‘太陽風(fēng)’，飛向太空，撞向地球和其他行星。”這項(xiàng)研究負(fù)責(zé)人、奧塔哥大學(xué)物理系Jonathan Squire博士說。
研究人員從測(cè)量和理論中得知，溫度的突然升高與太陽表面磁場(chǎng)有關(guān)。但是，這些磁場(chǎng)是如何加熱氣體的目前還不清楚——這就是所謂的日冕加熱問題。
“天體物理學(xué)家對(duì)磁場(chǎng)能量如何轉(zhuǎn)化為熱量有幾種不同的看法，用以解釋這種加熱現(xiàn)象，但大多數(shù)人都難以解釋觀測(cè)結(jié)果的某些方面。”Squire說。
流行的理論是基于湍流引起的加熱，以及一種被稱為離子回旋波的磁波引起的加熱。
Squire和合著者Romain Meyrand博士與美國普林斯頓大學(xué)和英國牛津大學(xué)的科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)之前的這兩個(gè)理論可以合并成一個(gè)，從而解決問題的關(guān)鍵部分。該小組的這一發(fā)現(xiàn)近日發(fā)表在《自然—天文學(xué)》上。
“然而，兩者都有一些問題——湍流難以解釋為什么氣體中的氫、氦和氧會(huì)變得和它們一樣熱，而電子卻出奇的冷；雖然磁波理論可以解釋這一特征，但似乎太陽表面沒有足夠的波來加熱氣體。”Meyrand說。
該研究小組利用六維超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬日冕氣體，進(jìn)而展示了這兩種理論實(shí)際上是同一過程的一部分，通過一種叫做“螺旋屏障”的奇異效應(yīng)聯(lián)系在一起。
這一有趣的現(xiàn)象是在Meyrand領(lǐng)導(dǎo)的奧塔哥早期研究中發(fā)現(xiàn)的。
“如果我們把等離子體加熱的發(fā)生想象成水從山上流下，電子在底部被加熱，那么螺旋屏障就像是一個(gè)大壩，阻止水的流動(dòng)并將其能量轉(zhuǎn)換為離子回旋波。通過這種方式，螺旋屏障將這兩個(gè)理論聯(lián)系起來，并解決了它們各自的問題。”Meyrand解釋說。
在這項(xiàng)最新的研究中，研究小組在模擬中攪動(dòng)磁力線，發(fā)現(xiàn)湍流產(chǎn)生了波，然后引發(fā)加熱。
當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，形成的結(jié)構(gòu)和渦流最終看起來與美國宇航局帕克太陽探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果極其相似，該探測(cè)器最近成為第一個(gè)真正飛進(jìn)日冕的人造物體。
“這讓我們有信心準(zhǔn)確捕捉到日冕中的關(guān)鍵物理現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與關(guān)于加熱機(jī)制的理論發(fā)現(xiàn)相結(jié)合，從而成為理解日冕加熱的一個(gè)有效途徑。”
Squire解釋說，更多地了解太陽大氣層和隨后的太陽風(fēng)非常重要，因?yàn)樗鼈儗?duì)地球有著深遠(yuǎn)的影響。
太陽風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)被稱為“空間天氣”，它會(huì)導(dǎo)致從極光到破壞衛(wèi)星的輻射和破壞電網(wǎng)的地磁電流等一切現(xiàn)象。從根本上說，這些都是由日冕及其磁場(chǎng)加熱引發(fā)的。
“也許，隨著對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的更好理解，我們能夠建立更好的模型預(yù)測(cè)未來的空間天氣，進(jìn)而實(shí)施保護(hù)策略，避免數(shù)十億美元的損失。”Squire說。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41550-022-01624-z
