冕
冕是包裹在某些天体最外层的一层高温等离子体。太阳冕最典型。亮度只有太阳本体百万分之一。平时看不见。日全食那几分钟,月球挡住光球层,银白色、向外伸展几百万公里的光晕突然显现。那就是冕。
冕不是静态气壳。它是一团持续运动的带电粒子流。温度高得反常。光球层表面六千度。往上经过色球层,到了冕区,温度猛蹿到一两百万度。怎么加热到这个程度,物理机制讨论了几十年。磁场重联、阿尔文波耗散、纳耀斑,几种说法各有证据,还没定论。知道的是,冕的高温直接导致太阳风源源不断往外吹,整个行星际空间都浸泡在这股等离子体流里。
从光谱上看,冕发射线很特别。十九世纪末日食观测,发现一条绿色谱线,当时认不出对应什么元素,有人猜是太阳上独有的新物质,取名“氪”。后来才搞明白,那是铁原子被剥掉十三个电子以后发出的光。普通火焰温度,铁原子只丢一两个外层电子。冕里温度高到能把铁剥得只剩原子核加几个内层电子。这种高度电离状态,需要百万度量级环境。
冕形状跟着太阳活动周期变。极大期,冕比较对称,各个纬度都有亮结构。极小期,赤道区域冕流拉得长,极区只剩短小羽毛状结构。磁场主导这一切。冕里等离子体冻结在磁力线上,物质分布就是磁力线走向的翻版。冕流顺着开放磁力线往远处延伸。冕环沿着闭合磁力线拱起又落回,像跨在活跃区上空的发光拱桥。
冕物质抛射从这里发动。大量等离子体裹挟磁场,一次性甩出几十亿吨物质,速度几百上千公里每秒。对准地球方向冲过来,两三天到。地球磁场被压缩扰动,极光爆发,电网可能出现感应电流,卫星电子器件面临充电风险。不是每次都有事,量大且方向正的才构成硬冲击。
观测冕不太容易。地面上,日冕仪用挡片造人工日食,挡掉光球直射光,剩下冕那点微光才能拍清楚。挡片和镜面洁净度要求极高,一粒灰尘散射的杂光就能淹没信号。太空里没有大气散射,SOHO卫星LASCO日冕仪一挂二十多年,不间断传回冕图像。从内冕到外冕,视野拉得很开,能看到物质抛射从启动、加速到传播的全链条。
冕有内中外分层。内冕靠太阳近,电子密度高,散射光强。中冕过渡区。外冕往外延展,逐渐融进太阳风背景。没有明确外边界。太阳风可以一直吹到日球层顶,一百多个天文单位外,才算停下来。那个范围也算冕的势力延伸。
冕也会消失。不是真消失,是被更强的光盖掉。日全食那几分钟最直观。贝利珠刚退去,珍珠白光芒从月轮后透出来,不是均匀一片,有射线状冕流,有拱状冕环,有极区羽状结构。日食结束,太阳本体重新露头,冕又隐进蓝天背景里,肉眼没法分辨。
加热问题还是没完全闭合。能量从光球层往上传,经过温度只有几千度的色球层,突然跳到百万度冕区。怎么跨过这个温度低谷,波加热说认为阿尔文波从下往上携带能量,在冕里耗散成热。纳耀斑说认为小规模磁重联事件持续发生,单个事件能量不大,累积起来足够维持高温。两种机制可能同时工作,份额占比各说各话。
冕的密度很低,低到地球实验室里算真空。每立方厘米粒子数一亿到十亿量级。地面标准大气压下,同体积粒子数多出十多个数量级。这么稀薄的介质,因为体积极其庞大,总质量并不小。一个大抛射事件扔出去的物质,质量跟地球上整座山脉差不多。
磁场冻结效应值得单拎出来说。冕里等离子体电导率高,磁力线与物质耦合紧密,物质运动拖着磁力线走,磁力线形态约束物质分布。磁重联发生时,磁力线拓扑突变,储存的磁能释放转化为热和动能。这个转化效率高到足以解释冕的极端温度与抛射事件能量来源。
没有冕,太阳风还是会有,但性质截然不同。热驱动的帕克太阳风模型,冕高温是必要条件。热压力梯度克服太阳引力,粒子流不断往外加速。过了声速点,超音速流动建立,一路吹到行星际。地球就在这股外流里运转。
冕的形态学分类有不少术语。冕盔,指活动区上方拱形冕环集合。冕洞,X射线波段暗区,开放磁力线区域,太阳风高速流起源地。冕雨,冷却等离子体沿磁力线回落,速度几十公里每秒。每个结构背后都是磁场与等离子体相互作用的具体表现。
光谱学继续给出信息。冕线宽度比热展宽预期值大。多出来的宽度归因于所谓“非热运动”,可能是阿尔文波造成的视向速度扰动,也可能是小尺度湍流。无论哪种,都指向波或湍流在加热中有份。
太空天气业务预报离不开冕监测。日冕仪图像上看到晕状抛射,对地概率高。判断是否对地,靠抛射源区位置和抛射形态在天空平面投影。预报员手里那套经验加模型,基础输入就是这些冕的实时图像。
冕是太阳最外层大气,薄得几乎透明,热得超乎常理。磁场在里面是骨架也是能量仓库。整个内太阳系空间,都处在这层稀薄高温气体的笼罩之下。日食时抬头看到的那些银白光芒,是离我们最近的天体在往外不断流失物质与能量的样子。
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