能量通道——揭開日冕加熱與太陽爆發之謎的鑰匙

「大漠孤煙直，長河落日圓」。太陽東升西落，日日不息，源源不斷地為大地帶來光和熱，是地球和人類當之無愧的最重要的夥伴。

在科學發展日新月異的今天，我們對太陽的了解是我們的先人難以想像的：我們現在知道太陽是一個巨大熾熱的氣體星球，知道太陽光與熱來源於其核心永不停息的巨型熱核反應，知道太陽黑子的數量多少存在著大約11年的周期變化，甚至能夠很有把握地回答我們的太陽是如何誕生以及它將如何走向終結等等問題。

但是，正如古希臘哲學家芝諾的名言 「人的知識就好比一個圓圈，圓圈裡面是已知的，圓圈外面是未知的。你知道得越多，圓圈也就越大，你不知道的也就越多」，隨著人類對太陽的了解不斷加深，一些太陽問題的答案卻始終「猶抱琵琶半遮面」，引得科學家們競相追逐。

現在，這些問題的謎之面紗被漸漸揭開，讓我們看看科學家們是如何探索揭開日冕加熱與太陽爆發之謎的吧。

日冕加熱之謎

太陽不是一個質地均勻的氣體球，科學家經過研究發現，太陽更像一個巨型「大洋蔥」。它的中心是核反應區，核反應區的外面一層層包裹著輻射區、對流區、光球層和色球層，最外層則是稀疏的太陽大氣——日冕。

圖1 太陽大氣層結構示意圖

我們肉眼所能見到的是太陽大氣層的最底層，也就是光球層。光球層低層溫度為6000度左右，並且隨著高度升高而不斷冷卻。然而，從光球層頂部向上，溫度不斷地升高至幾萬度。再向上到即將進入日冕層的高度，溫度則驟然陡升至百萬度。

太陽大氣不應該是離太陽越遠越冷嗎？為什麼反而越來越熱了呢？到底是什麼原因使色球層和日冕層的溫度達到上萬乃至百萬度呢？

這就是著名的色球和日冕加熱問題。

近幾十年來，專門研究太陽的太空望遠鏡和地面望遠鏡相繼建成，試圖解決色球和日冕加熱問題。但是到目前為止，這個問題仍未有公認的結論。不過，科學家們也不是一無所獲。

目前，科學家們就這個問題至少達成了一個共識：加熱色球和日冕的能量來自於太陽內部。這就意味著，如果我們能夠搞清楚太陽內部能量如何通過光球層傳輸到上層大氣（色球和日冕層），我們就能夠解開日冕加熱這個太陽物理世紀未解之謎。

太陽爆發之謎

永遠不要被事物的表面現象所迷惑。太陽遠遠不像我們所以為的那樣安靜，它其實是一個狂暴的星球。

圖2 日珥（該圖由美國大熊湖望遠鏡拍攝）

太陽色球層不時噴射出高達數萬公里的日珥，有時會突然出現一種名叫耀斑的劇烈爆發現象，一個中等大小的耀斑能夠在極短時間內爆發出相當於1億顆氫彈爆炸的能量。

圖3 耀斑爆發（該圖由日本國立天文台乘鞍觀測站於1982年9月4日拍攝）

而在稀薄的太陽大氣——日冕之中，一種名為日冕物質拋射的活動也能瞬間將大量物質拋射到數倍太陽半徑之外。

圖4 日冕物質拋射（該圖片由 SoHO/LASCO 拍攝）

日珥、耀斑和日冕物質拋射，這些太陽爆發活動能夠快速釋放出大量能量，程度劇烈的可以將等離子態的氣體物質吹到地球附近。

這些高能氣體與地球磁場相互作用，既產生了夢幻般的極光，又干擾了地球大氣的電離層，使得通信中斷、導航失靈，更為嚴重的是會嚴重擾動地球磁場形成地磁暴，甚至導致輸變電系統過載燒毀，出現大面積停電事故。因此，科學家們24小時監測太陽爆發活動，力求揭開太陽爆發之謎。

科學家發現，太陽爆發前有一個很重要的物理過程，那就是能量儲存過程。當能量儲存到一定程度，並受周圍環境的擾動時，太陽上的大尺度磁場結構就會爆發並釋放能量。而科學家也已經確認，這些能量也來自於太陽內部。

然而，能量是如何從太陽內部經過光球層向上傳輸並存儲到這些大尺度磁場結構中的？目前，這個問題仍待解答。

能量通道：揭開日冕加熱與太陽爆發之謎的鑰匙

在對日冕加熱與太陽爆發研究的過程中，科學家們意識到，必須解決太陽能量如何經光球層向上傳輸的問題，才有可能揭開日冕加熱與太陽爆發之謎。那麼，太陽是如何將能量從太陽內部輸送到太陽高層大氣的呢？

科學家們發現，承擔輸送能量這一重要任務的是太陽光球層中無數個細細的能量通道，它如同汗毛一樣排列在太陽的表面。在太陽望遠鏡中，這些能量通道在光球層紮根的地方是一個個的光球亮點，這種可視化為能量通道的研究提供了條件，科學家們不再是「盲人摸象」了。

圖5 光球亮點圖像（該圖由雲南天文台撫仙湖一米新真空望遠鏡拍攝）

雲南天文觀測條件得天獨厚，中國科學院雲南天文台撫仙湖觀測站是國際上知名的太陽天文台。近日，雲南天文台太陽活動與 CME 理論組林雋研究員及其博士生劉艷霄等人，通過研究撫仙湖觀測站一米新真空望遠鏡的高解析度觀測資料，發現有35%的光球亮點發生過分裂和融合，另外的65%沒有發生過分裂和融合。太陽光球亮點的水平運動、分裂和融合等表現行為也可以理解為能量通道在光球層的水平運動、分裂和合併等演化。能量通道的研究由此獲得重要進展。

這些能量通道如同一根根富有彈性的繩子，這些繩子直直地豎立在太陽大氣層中。它們不斷地分裂成更小的細繩，合併成更粗的繩子。這些繩子在太陽大氣中還可以水平隨機運動。繩子的運動會造成它們之間的相互纏繞和扭絞從而形成越來越大、越來越粗的繩子。

圖6 能量通道之間的相互纏繞扭絞示意圖

在這個過程中，能量通道在日冕層中的部分會因為扭纏而發生磁重聯，磁重聯是極性相反的磁力線相遇、斷開並重新連接，同時釋放能量的過程。現在科學家已經確認，磁重聯對日冕加熱有重要貢獻，日冕加熱之謎有望解開。

同時科學家還發現，能量通道會存儲能量，而能量存儲正是太陽爆發活動前的一個重要物理過程。如果能掌握日冕中能量通道的能量存儲物理過程，就可以更好地為太陽爆發活動提供預警預報，太陽爆發之謎也將徹底揭曉。

來源：中國科學院雲南天文台

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