科学家锁定太阳风老巢：在日冕层的暗影里，那股触发极光的力量

一个中德科学家小组已经确认出了太阳日冕中的磁结构，高速太阳风就是在这里产生的。利用来自太阳辐射紫外光测量（SUMER）光谱仪的图像和多普勒图，以及由欧洲航天局(ESA)和美国航空航天局(NASA)的天基太阳和日球层天文台（SOHO）上的迈克尔逊多普勒成像仪（MDI）提供的磁图，该小组注意到太阳风是从形似漏斗的磁场中流出的，这些磁场被固定在太阳表面附近磁网的狭窄磁道上。

图解：太阳风作用下的地球磁场艺术想象图

这些观测结果于今年发表在《科学》杂志上。这项研究加深了我们对太阳风源磁场性质的认知，而我们已经知道，时刻影响着地球太空环境的太阳风，实际上是纤薄又炽热的等离子流(导电性气体)。

图1、当太阳表面的磁场线没有回落闭合时，太阳风便得以从中逃逸出来。

太阳风由质子、α粒子(二次电离的氦)、重离子和电子构成，这些粒子在太阳表面的移动速度在300到800 km/s之间。日冕源区中的重离子会释放具有一定波长的紫外辐射；当重离子飞向地球(追踪着新生太阳风)，其发射的紫外光波长会变短。这种现象被称作多普勒效应，最为人熟知的例子就是一辆接近或远离观察者的警车，其警笛声在听觉上的变化。在太阳的情形中，朝向我们(也即远离太阳表面)运动的等离子体，被检测出在紫外光谱中存在蓝移。因此，利用这个现象，可以确定太阳风流的初始位置。

图解：天鹅周围水流的多普勒效应

太阳辐射紫外光测量(SUMER)的紫外光谱看上去和用棱镜将白光分离成的彩虹条带类似。但紫外光人肉眼不可见，而且无法穿透地球大气，所以通过对空间观测站SOHO上SUMMER光谱仪采集的紫外光谱进行分析，太阳物理学家可以获得大量关于太阳的原始信息，并推测太阳的大气温度、化学组分和不同大气圈层的运动。

科学论文第一作者，来自北京大学地球物理系的屠传义教授说：“太阳风源区的精细磁结构仍然难以捉摸。多年来，太阳和空间物理学家一直在观测发源于日冕层中具有开放磁场线和低光密度的区域，即冕洞，的高速太阳风。然而，只有用一种新颖的方式结合SOHO的复杂观测结果，我们才能推断日冕洞内源的性质。日冕漏斗似乎就是高速太阳风的发源地，速度约10 km/s，高度可达20000 Km，位于光球层上方。

图2、欧洲航天局ESA和NASA的日球层天文台(SOHO)捕捉到了这张图片。巨大的冕洞盘旋在太阳北极的上空。图源：ESA&NASA/SOHO

屠教授说：“Ne7+离子可用作良好的热等离子流示踪剂。当高速太阳风开始从冕洞中的漏斗顶部以10 km / s的速度流出时，会表现为600000 开尔文(K)下Ne+7离子发射线的多普勒蓝移中的色斑。通过比对磁场，即利用MDI磁资料从光球层中推断出的磁场，我们发现这条线的蓝移模式与20000 Km处的开放场结构之间相关性最好。

SUMER光谱仪通过观察来自太阳北极地区大面积的紫外线辐射，仔细查看了太阳风的来源。科学论文的合著者，埃卡特·马什(Eckart Marsch)教授说：“明确识别源区的详细磁结构（现在已显示为日冕漏斗）以及确定释放高度和太阳风初速度，是解决质量供给和基础加速度问题的重要步骤。而现在，我们可以集中注意力研究更深层次的等离子体条件，和发生在膨胀着的日冕漏斗及磁网窄颈中的物理过程。”

图3、三维太阳大气中的磁场结构。黑色实线表示开放磁场线，红色的表示封闭磁场线。因为日冕中磁场强度随高度（Z）的增加而降低，所以对于不同的高度，色斑的规模会有所不同。在4 Mm处插入的平面中，我们将Si II的辐射与推测的Bz进行了比较。外形线描绘了Si II辐射度80％的等级。在20.6 Mm处插入的平面中，我们将小于–7 km / s的Ne VIII多普勒频移与推测的Bz进行了比较。阴影区域暗示Ne7+出流速度大于7 km / s的范围。

解决太阳风的性质和起源问题是设计日球层天文台(SOHO)的主要目的之一。冕洞是高速太阳风的出风口对于天文学界早已不是新鲜事，新闻是，这些太阳风流被发现是源自日冕漏斗的，漏斗的源位于磁网的边缘。太阳表面之下有许多大型对流单体，每个单体都有与之联系的磁场，这些磁场通过磁对流聚集在网络通道中，漏斗颈就固定在其中。等离子体，虽然仍被限制在小型环形回路，但会被磁对流带进漏斗中，然后从中释放出来，就像一桶水被倒进一个开放的水道一样。

图4、太阳大气中的磁漏斗。（A）强调开放磁场线和出流速度大于8 km/s的Ne7+（暗阴影区）的相关性。（B）图示漏斗边界和由相邻环绕的双极磁环限制的磁单极通量。

马什(Eckart Marsch)教授说：“ 人们认为快速的太阳风起源于光球层上方很近的电离氢原子层中，任意给定的开放磁场线。碳离子发射线的低多普勒频移表明，在5,000 km的高度尚未发生大量的粒子外流。太阳风等离子流现在被认为是由很多小磁环产生的等离子体提供的，这些磁环只有几千公里高，挤满了漏斗。通过磁性重连，等离子体从各个方向灌入漏斗，在其中可能被加速，并最终形成太阳风。”

SUMER仪器的建设，由德国林道的马克斯·普朗克太阳系研究所（原马克斯·普朗克高层大气物理研究所）的克劳斯·威廉博士（也是该论文的合著者）领导，法国奥赛的空间研究所、马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心和伯克利的加利福尼亚大学参与核心工程，德国、法国、美国和瑞士国家机构提供财政支持。SOHO是欧洲航天局(ESA)和美国国家航空航天局(NASA)之间的国际合作项目，于1995年12月在NASA的佛罗里达州肯尼迪航天中心发射，由一枚Atlas II-AS火箭运载，戈达德航天中心执行操作。

参考资料

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2.天文学名词

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2.天文学名词

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