神奇的太陽大氣層一一日冕

賈如丹

讀了《太陽簡史——一顆恒星的傳記》和《通俗天文學——和宇宙的一場對話》，我很想和大家分享一些關于太陽的知識。

太陽是地球的生命之源，離開了它，我們地球上的動物和植物就會很快死亡。我們依賴它，但并不表示我們很了解它，比如，你知道太陽也有大氣層嗎？

人們平常會把太陽比作一個燃燒的大火球，其實更確切地說它是一個大氣球，因為太陽質量的98.2% 是氫（78.5%）和氦（19.7%）。太陽中心的氫在高溫高壓的條件下不斷地被擠壓，發生核聚變反應后，氫就聚變為氦。幾十億年后，當這個過程結束時，太陽將成為紅巨星，發生電影《流浪地球》里提到的“氦閃”，而后成為白矮星，白矮星存在的時間是非常漫長的，最終會成為黑矮星。那時，人類早已不復存在。

太陽的分層結構

和地球一樣，太陽的結構也是分層的，最中心是等離子體組成的太陽核，太陽核的半徑約占整個太陽半徑的四分之一。太陽內部核聚變所釋放的光子能量需要經歷一個曲折的過程，花上萬年的時間才能到達太陽表面。

太陽的表面包裹著數層氣體，分別為光球層、色球層和日冕。顧名思義，光球層就是發光的部分，也是我們肉眼能看到的太陽最深處。光球層約有500千米厚，平均溫度超過6000攝氏度，許多太陽表面活動，像米粒組織、太陽黑子都在這里發生。

太陽結構圖

色球層位于光球層的上方，它就像是沸騰的光球層噴濺出來的物質，看起來呈橘色，平均厚度約為2000千米，溫度在6000～20000攝氏度之間，由于它的密度比光球層小，發出的光僅為光球層的千分之一。

日冕是太陽最外面的大氣層，它從色球層開始向外延伸達億萬千米，溫度在100萬～200萬攝氏度之間，就像太陽的“冠冕”。

太陽的大氣層——日冕

地球的大氣層和地面涇渭分明，太陽的大氣層卻不同，它和太陽的其他部分都是由等離子體組成，只是它更稀薄而已。由于太過稀薄，日冕平時會被太陽的萬丈光芒掩蓋，只有日全食時才能被看到。

日冕的形狀與太陽黑子的數量有關，黑子高峰期時，日冕向各個方向展開的范圍差不多大，呈向日葵狀;黑子減少后，日冕從兩極伸出向赤道彎曲，就像磁石周圍的鐵屑形狀。有時，我們還能觀測到一些環狀“絲帶”，那是被拋出來的扭纏的等離子體形成的日珥，它們的大小可以達到地球的幾十甚至幾百倍！偶爾，日冕層還會將大量的氣體和能量拋到行星際空間，這種現象被稱為“日冕物質拋射”。這些帶電的粒子在巨大的能量推動下，朝著地球以及更遠的行星奔去。

日全食食甚

冕儀觀測到的物質拋射，中間是后期合成的太陽極紫外像

對日冕的觀測和研究

想要觀測日冕，我們可以抓住日全食發生的這一時機，此時太陽的主體被月球全部遮住，我們會看到黑色太陽周圍的白光，那就是日冕。還有一個方法就是通過日冕儀觀測。日冕儀的原理并不復雜，只要給望遠鏡的透鏡上安裝金屬圓盤，阻擋來自光球層的光線即可。但由于太陽光的衍射和背景光的污染，日冕儀還需要許多精巧的設計以及良好的周圍環境才能真正觀測到日冕。

除此之外，NASA曾經發射多顆太陽觀測衛星，例如2010年發射的太陽動力學天文臺衛星，它每日都會拍攝太陽的照片，從這些照片中我們就能清晰地看到“日冕物質拋射”。

日冕在拋射物質時，給我們帶來的不僅是視覺盛宴般的極光，還有磁場擾動導致的大面積停電，衛星、通信系統，以及航班也會受到很大影響。1989年3月13日凌晨，加拿大魁北克上空出現了巨大的磁場擾動，幾百萬千瓦的電因擾動瞬間“蒸發”，電力保護系統啟動，各地陸續斷網，人們在黑暗和無信號的環境中度過了9個小時，這就是著名的日冕物質拋射事件。

日冕物質拋射

我們雖然不能影響太陽的“喜怒”，但可以通過研究預測它的活動。比如，在1645—1715年間，黑子數量異常少，這時歐洲和北美洲的天氣寒冷異常。科學家發現這并不是巧合，而是太陽黑子對地球氣候產生了影響，黑子多則天氣熱，黑子少則天氣冷。

觀測日冕形狀的變化還可以推測太陽表面氣流的活動，如果發現日冕物質拋射，可以提前預報，飛機可以停運或改道來避開日冕物質，人們也可提前為停電做準備。

太陽黑子

為了更加深入地了解太陽，2018年8月12日，NASA發射了最新的帕克太陽探測器，探測器將飛進日冕層，進入1300多攝氏度的區域探尋能量如何在日冕中移動。帕克太陽探測器將進行太陽磁場、等離子體、高能粒子和太陽風成像這四個方面的研究。帕克太陽探測器預計通過七年的時間到達太陽，現在已經過去一年，大家再耐心等一等，相信“帕克”定會為我們帶來豐富的太陽信息！

太陽是離我們最近的恒星，通過對太陽的研究，我們可以了解宇宙中的其他恒星，也可以獲得更多對生命和環境的認識！