吹遍太陽系的“風(fēng)”

太陽風(fēng)的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)空間探測的重要發(fā)現(xiàn)之一。經(jīng)過近40年的研究，對太陽風(fēng)的物理性質(zhì)有了基本了解，但是至今人們?nèi)匀徊磺宄栵L(fēng)是怎樣起源和怎樣加速的。很明顯，太陽大氣通過太陽風(fēng)的形式不斷地?fù)p耗其質(zhì)量和能量。可是太陽風(fēng)是怎樣得到等離子體的供應(yīng)及能量的供應(yīng)呢？這個問題是空間物理學(xué)領(lǐng)域中至今仍懸而未決的一大基本課題。

發(fā)現(xiàn)太陽閃光

1850年，英國天文學(xué)家卡林頓在觀察太陽黑子時，發(fā)現(xiàn)在太陽表面上出現(xiàn)了一道小小的閃光，它持續(xù)了約5分鐘。卡林頓認(rèn)為自己碰巧看到一顆大隕石落在太陽上。1899年，美國天文學(xué)家霍爾發(fā)明了一種“太陽攝譜儀”，能夠用來觀察太陽發(fā)出的某一種波長的光。這樣，人們就能夠靠太陽大氣中發(fā)光的氫、鈣元素等的光，拍攝到太陽的照片。結(jié)果查明，太陽的閃光和隕石毫不相干，那不過是熾熱的氫短暫爆炸而已。

在太陽黑子密集的部位，一天能觀察到上百次之多的閃光，特別是當(dāng)黑子在“生長”的過程中更是如此。有時候，閃光正好發(fā)生在太陽表面的中心，這樣，它爆發(fā)的方向正沖著地球。在這樣的爆發(fā)過后，地球上會一再出現(xiàn)奇怪的事情：一連幾天，極光都會很強(qiáng)烈，有時甚至在溫帶地區(qū)都能看到；羅盤的指針也會不安分起來，發(fā)狂似地擺動，因此這種效應(yīng)有時被稱為“磁暴”；磁暴會影響無線電接收，各種電子設(shè)備也會受到影響；在磁暴期內(nèi)，無線電和電視傳播會中斷，雷達(dá)也不能工作。

科學(xué)家更加仔細(xì)地研究了太陽的閃光后，發(fā)現(xiàn)在這些爆發(fā)中顯然有熾熱的氫被拋得遠(yuǎn)遠(yuǎn)的，其中有一些會克服太陽的巨大引力射入空間。氫的原子核就是質(zhì)子，因此太陽的周圍有一層質(zhì)子云。1958年，美國物理學(xué)家帕克把這種向外涌的質(zhì)子云叫做“太陽風(fēng)”。今天，空間飛船的觀測表明，太陽風(fēng)主要由質(zhì)子和電子組成，但有少量氦核及微量重離子成分，所以人們把持續(xù)不斷地向外膨脹從而形成由太陽徑向向外的等離子體流，稱為“太陽風(fēng)”。

太陽風(fēng)是如何形成的

一般情況下，我們把太陽大氣分為六層，由內(nèi)往外依次命名為：日核，輻射區(qū)，對流層，光球，色球，日冕。日核的半徑占太陽半徑的1/4左右，它集中了太陽質(zhì)量的大部分，并且是太陽99%以上的能量的發(fā)生地。光球是我們平常所見的明亮的太陽圓面，太陽的可見光全部是由光球面發(fā)出的。日冕位于太陽的最外層，屬于太陽的外層大氣。太陽風(fēng)就是在這里形成并發(fā)射出去的。

在日冕上存在著一些長條形的大尺度的黑暗區(qū)域。這些區(qū)域的X射線強(qiáng)度比其他區(qū)域要低得多，從表觀上看就像日冕上的一些洞，被稱之為冕洞。冕洞是太陽磁場的開放區(qū)域，這里的磁場線向宇宙空間擴(kuò)散，大量的等離子體順著磁場線跑出去，形成高速運(yùn)動的粒子流。粒子流在冕洞底部速度為16千米/秒左右，當(dāng)?shù)竭_(dá)地球軌道附近時，速度可達(dá)800千米/秒以上。這種高速運(yùn)動的等離子體流也就是我們所說的太陽風(fēng)。

吹遍整個太陽系

現(xiàn)在我們肯定，太陽風(fēng)至少可以吹遍整個太陽系。

太陽風(fēng)的速度約每秒400千米，有時可以快達(dá)770千米，最慢也有320千米。太陽風(fēng)從太陽吹到地球只需五六天的時間。當(dāng)太陽風(fēng)到達(dá)地球附近時，與地球的偶極磁場發(fā)生作用，并把地球磁場的磁場線吹得向后彎曲。但是地磁場阻止了等離子體流的運(yùn)動，使得太陽風(fēng)不能侵入地球大氣而繞過地磁場繼續(xù)向前運(yùn)動。于是形成一個空腔，地磁場就被包含在這個空腔里。此時的地磁場外形就像一個一頭大一頭小的蛋狀物。

雖然涌來的太陽風(fēng)在抵達(dá)地球時，大部分會被地球的磁場推開。但仍有部分太陽風(fēng)進(jìn)入大氣層，從而引起各種現(xiàn)象。

太陽風(fēng)使彗星形成長長的向著反太陽方向延伸的彗尾。當(dāng)人們欣賞美麗的彗尾的時候就可以想像太陽風(fēng)的存在。在地球高緯區(qū)看到的多彩的極光現(xiàn)象，則是進(jìn)入地球磁場的太陽風(fēng)粒子經(jīng)加速后與地球大氣分子碰撞產(chǎn)生的。

據(jù)推測，在約100個天文單位（1個天文單位＝日地平均距離=1.5×108千米）以外，太陽風(fēng)將與起源于銀河系的星際氣體交界，太陽風(fēng)占據(jù)的空間范圍稱為“日球?qū)印薄Ｑ芯刻栵L(fēng)的物理過程及其規(guī)律已成為空間物理學(xué)中一個新的學(xué)科分支——日球?qū)游锢韺W(xué)。

研究太陽風(fēng)至關(guān)重要

太陽風(fēng)構(gòu)成人類活動的外層空間環(huán)境。太陽大氣的擾動通過太陽風(fēng)傳到地球，通過與地球磁場的相互作用，有時會引起一系列影響人類活動的事件。例如通訊衛(wèi)星失靈、高緯區(qū)電網(wǎng)失效，及短波通訊、長波導(dǎo)航質(zhì)量下降等。太陽風(fēng)的變化還可能會引起氣象和氣候的變化。另外，像“回聲一號”那樣又大又輕的衛(wèi)星，還會被太陽風(fēng)顯著吹離事先計算好的軌道。

由于21世紀(jì)人類將進(jìn)一步利用地球的外層空間環(huán)境，空間環(huán)境預(yù)報（或叫“空間天氣”預(yù)報）將會十分重要。搞清楚太陽風(fēng)的起源及其加熱和加速機(jī)制，對于建立有效的空間天氣預(yù)報體系有著十分重要的意義。宇宙中，許多恒星，以至許多星系都會向外發(fā)出它們自己的“風(fēng)”，從而導(dǎo)致其本身物質(zhì)的損失，并影響其他星體，及其周圍的星際空間或星系際空間。太陽風(fēng)是唯一能直接觀測到的恒星風(fēng)。對太陽風(fēng)起源和加速機(jī)制的研究，必然對這一普遍存在的現(xiàn)象——宇宙等離子體——的認(rèn)識有著至關(guān)重要的意義。

國際日地物理學(xué)術(shù)計劃近期發(fā)射的觀測太陽及太陽風(fēng)的飛船有“太陽探針”“太陽水星觀測站”“先進(jìn)成分探測器”及“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”。上述設(shè)計中的四個重要飛行計劃如果能付諸實施，太陽風(fēng)的起源與形成的問題就有望在21世紀(jì)得到解決。