作者 ｜ 李木子
按說離熱源越遠，空氣就越冷。奇怪的是，太陽的情況卻并非如此。如今，新西蘭科學家可能已經找到其中的關鍵原因。
太陽表面溫度約6000攝氏度，但在距離太陽表面短短幾百公里距離內，溫度會突然升高到100多萬攝氏度，成為太陽的大氣層，也就是日冕。
“溫度如此之高，以至于氣體脫離了太陽的引力，成為‘太陽風’，飛向太空，撞向地球和其他行星。”這項研究負責人、奧塔哥大學物理系Jonathan Squire博士說。
研究人員從測量和理論中得知，溫度的突然升高與太陽表面磁場有關。但是，這些磁場是如何加熱氣體的目前還不清楚——這就是所謂的日冕加熱問題。
“天體物理學家對磁場能量如何轉化為熱量有幾種不同的看法，用以解釋這種加熱現象，但大多數人都難以解釋觀測結果的某些方面。”Squire說。
流行的理論是基于湍流引起的加熱，以及一種被稱為離子回旋波的磁波引起的加熱。
Squire和合著者Romain Meyrand博士與美國普林斯頓大學和英國牛津大學的科學家合作，發現之前的這兩個理論可以合并成一個，從而解決問題的關鍵部分。該小組的這一發現近日發表在《自然—天文學》上。
“然而，兩者都有一些問題——湍流難以解釋為什么氣體中的氫、氦和氧會變得和它們一樣熱，而電子卻出奇的冷；雖然磁波理論可以解釋這一特征，但似乎太陽表面沒有足夠的波來加熱氣體。”Meyrand說。
該研究小組利用六維超級計算機模擬日冕氣體，進而展示了這兩種理論實際上是同一過程的一部分，通過一種叫做“螺旋屏障”的奇異效應聯系在一起。
這一有趣的現象是在Meyrand領導的奧塔哥早期研究中發現的。
“如果我們把等離子體加熱的發生想象成水從山上流下，電子在底部被加熱，那么螺旋屏障就像是一個大壩，阻止水的流動并將其能量轉換為離子回旋波。通過這種方式，螺旋屏障將這兩個理論聯系起來，并解決了它們各自的問題。”Meyrand解釋說。
在這項最新的研究中，研究小組在模擬中攪動磁力線，發現湍流產生了波，然后引發加熱。
當這種情況發生時，形成的結構和渦流最終看起來與美國宇航局帕克太陽探測器的測量結果極其相似，該探測器最近成為第一個真正飛進日冕的人造物體。
“這讓我們有信心準確捕捉到日冕中的關鍵物理現象，這一現象與關于加熱機制的理論發現相結合，從而成為理解日冕加熱的一個有效途徑。”
Squire解釋說，更多地了解太陽大氣層和隨后的太陽風非常重要，因為它們對地球有著深遠的影響。
太陽風與地球磁場相互作用產生的效應被稱為“空間天氣”，它會導致從極光到破壞衛星的輻射和破壞電網的地磁電流等一切現象。從根本上說，這些都是由日冕及其磁場加熱引發的。
“也許，隨著對基礎物理學的更好理解，我們能夠建立更好的模型預測未來的空間天氣，進而實施保護策略，避免數十億美元的損失。”Squire說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41550-022-01624-z
