太阳风的发现是20世纪空间探测的重要发现之一。经过多年的研究,人们对太阳风的物理性质有了基本了解,但是至今仍然不清楚太阳风是怎样起源和怎样加速的。很明显,太阳大气通过太阳风的形式不断地损耗其质量和能量。可是,太阳风是怎样得到等离子体的供应及能量的供应呢?这个问题是空间物理学领域中至今仍悬而未决的一大基本课题。
发现太阳闪光
1850年,英国天文学家卡林顿在观察太阳黑子时,发现在太阳表面上出现了一道小小的闪光,它持续了约5分钟。卡林顿认为自己碰巧看到一颗大陨石落在太阳上。1899年,美国天文学家霍尔发明了一种“太阳摄谱仪”,能够用来观察太阳发出的某一种波长的光。这样,人们就能够靠太阳大气中发光的氢、钙元素等的光,拍摄到太阳的照片。结果查明,太阳的闪光和陨石毫不相干,那不过是炽热的氢短暂爆炸而已。
在太阳黑子密集的部位,一天能观察到上百次之多的闪光,特别是当黑子在“生长”的过程中更是如此。有时候,闪光正好发生在太阳表面的中心,这样,它爆发的方向正冲着地球。在这样的爆发过后,地球上会一再出现奇怪的事情:一连几天,极光都会很强烈,有时甚至在温带地区都能看到;罗盘的指针也会不安分起来,发狂似地摆动,因此这种效应有时被称为“磁暴”;磁暴会影响无线电接收,各种电子设备也会受到影响;在磁暴期内,无线电和电视传播会中断,雷达也不能工作。
科学家更加仔细地研究了太阳的闪光后,发现在这些爆发中显然有炽热的氢被抛得远远的,其中有一些会克服太阳的巨大引力射入空间。氢的原子核就是质子,因此太阳的周围有一层质子云。1958年,美国物理学家帕克把这种向外涌的质子云叫做“太阳风”。今天,空间飞船的观测表明,太阳风主要由质子和电子组成,但有少量氦核及微量重离子成分,所以人们把持续不断地向外膨胀从而形成由太阳径向向外的等离子体流,称为“太阳风”。
太阳风是如何形成的
一般情况下,我们把太阳大气分为六层,由内往外依次命名为:日核,辐射区,对流层,光球,色球,日冕。日核的半径占太阳半径的1/4左右,它集中了太阳质量的大部分,并且是太阳99%以上的能量的发生地。光球是我们平常所见的明亮的太阳圆面,太阳的可见光全部是由光球面发出的。日冕位于太阳的最外层,属于太阳的外层大气。太阳风就是在这里形成并发射出去的。
在日冕上存在着一些长条形的大尺度的黑暗区域。这些区域的X射线强度比其他区域要低得多,从表观上看就像日冕上的一些洞,被称之为冕洞。冕洞是太阳磁场的开放区域,这里的磁场线向宇宙空间扩散,大量的等离子体顺着磁场线跑出去,形成高速运动的粒子流。粒子流在冕洞底部速度为16千米/秒左右,当到达地球轨道附近时,速度可达800千米/秒以上。这种高速运动的等离子体流也就是我们所说的太阳风。
吹遍整个太阳系
现在我们肯定,太阳风至少可以吹遍整个太阳系。
太阳风的速度约每秒400千米,有时可以快达770千米,最慢也有320千米。太阳风从太阳吹到地球只需五六天的时间。当太阳风到达地球附近时,与地球的偶极磁场发生作用,并把地球磁场的磁场线吹得向后弯曲。但是地磁场的磁压阻滞了等离子体流的运动,使得太阳风不能侵入地球大气而绕过地磁场继续向前运动。于是形成一个空腔,地磁场就被包含在这个空腔里。此时的地磁场外形就像一个一头大一头小的蛋状物。
虽然涌来的太阳风在抵达地球时,大部分会被地球的磁场推开。但仍有部分太阳风进入大气层,从而引起各种现象。
太阳风使彗星形成长长的向着反太阳方向延伸的彗尾。当人们欣赏美丽的彗尾的时候就可以想像太阳风的存在。在地球高纬区看到的多彩的极光现象,则是进入地球磁场的太阳风粒子经加速后与地球大气分子碰撞产生的。
据推测,在约100个天文单位(1个天文单位=日地平均距离=1.5×108千米)以外,太阳风将与起源于银河系的星际气体交界,太阳风占据的空间范围称为“日球层”。研究太阳风的物理过程及其规律已成为空间物理学中一个新的学科分支——日球层物理学。
研究太阳风至关重要
太阳风构成人类活动的外层空间环境。太阳大气的扰动通过太阳风传到地球,通过与地球磁场的相互作用,有时会引起一系列影响人类活动的事件。例如通讯卫星失灵、高纬区电网失效,及短波通讯、长波导航质量下降等。太阳风的变化还可能会引起气象和气候的变化。另外,像“回声一号”那样又大又轻的卫星,还会被太阳风显著吹离事先计算好的轨道。
由于21世纪人类将进一步利用地球的外层空间环境,空间环境预报(或叫“空间天气”预报)将会十分重要。搞清楚太阳风的起源及其加热和加速机制,对于建立有效的空间天气预报体系有着十分重要的意义。宇宙中,许多恒星,以至许多星系都会向外发出它们自己的“风”,从而导致其本身物质的损失,并影响其他星体,及其周围的星际空间或星系际空间。太阳风是唯一能直接观测到的恒星风。对太阳风起源和加速机制的研究,必然对这一普遍存在的现象——宇宙等离子体——的认识有着至关重要的意义。
国际日地物理学术计划近期发射的观测太阳及太阳风的飞船有“太阳探针” “太阳水星观测站”“先进成分探测器”及“空间太阳望远镜”。上述设计中的四个重要飞行计划如果能付诸实施,太阳风的起源与形成的问题就有望在21世纪得到解决。