科學家:太陽出現巨型黑子,和地球一樣大!太陽究竟發生了什麼?

网瘾少女 2022/03/09 檢舉 我要評論
 

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2022年3月2日,英國《每日郵報》報導稱,位于夏威夷毛伊島的太陽望遠鏡發佈了最新太陽觀測的照片,一個地球大小的黑子赫然出現在太陽上!

地球大小的黑子,太陽上到底發生了什麼?

DKIST(Daniel K. Inouye Solar Telescope )是夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉天文臺研究太陽的望遠鏡,口徑為4米,是全球最大的太陽望遠鏡。

這台望遠鏡的結構是離軸反射式,與常見的望遠鏡光學結構有些不一樣,這樣佈置的好處是沒有浪費的口徑,比如折射式無法自製造大口徑,而反射式因為要在光路上設置反射鏡遮擋主鏡,浪費很大的口徑,因此離軸式反射鏡就應運而生。

另外這台望遠鏡還配備自我調整光學結構,可以對觀測圖像進行即時修正,提高了成像質量,2022年2月23日開始了其首次科學觀測,此後一批觀測資料被公佈,此次發佈的太陽上出現的巨型黑子就是這台DKIST望遠鏡的最新觀測成果。

比地球還大的黑子,究竟是個什麼概念?

國家太陽天文臺首席研究員Tetsu Anan博士是這項研究的領導者,研究團隊的發言人稱:

「太陽黑子的黑暗部分(稱為本影)的直徑與地球的直徑大致相同。」

該團隊正在研究「驅動太陽色球層中的噴流的磁重聯相關的電場」,太陽黑子不過是這項研究的「副產品」,磁重聯是太陽磁場突然和能量重新配置的機制,導致從太陽大氣中噴射出等離子體射流,這一過程早已被理論化,但尚未得到證實。

地球的直徑約為1.27萬千米,和地球直徑相當,這個級別真是夠大!不過對于太陽接近140萬千米的直徑來說,這1萬多千米的黑子猶如一個芝麻粒。

太陽表面溫度高達5700K,黑子是怎麼出現的?

太陽黑子的最早記錄見于西元前1100年的中國《易經》,不過對黑子進行科學研究和記錄,還是要到伽利略時代。

如果用日珥鏡觀測過太陽的朋友,一定會感歎標準的黑子和「菊花」非常相似,中央本應「一團漆黑」,而在周圍則有絲狀放射,中間的稱之為本影,周圍的則是半影。

儘管看上去就像太陽表面的黑斑,但黑子溫度依然高達3500K以上,這個溫度堪比地球上最耀眼的閃電與電焊的弧光,但由于比周圍5500K的溫度更低,當臨近黃昏受到厚厚大氣層遮擋減光時就讓各位肉眼可見了(切不可用望遠鏡直接觀測太陽,必須要用太陽膜減光或者用日珥鏡)。

黑子的成因

太陽是一個等離子火球,由氫核聚變提供能量,但由內而外的結構卻讓人著迷,太陽核心約1/4R(半徑)的范圍內,大約30萬千米的范圍內才是核聚變區域,提供了整個太陽發出的能量,但從內部傳送到太陽外部卻會經過多個區域。

首先是輻射層,太陽的能量在這裡向外傳輸效率是不高的,一個光子要從核心區域爬到輻射層外,至少也需要十萬年,輻射層以外就是對流層,這個大家都明白,受熱上升,遇冷下降,輻射層傳出來的能量會在對流層下外傳輸。

因此太陽上會留下一個個對流胞形成的「米粒組織」,米粒的上升部分位于等離子體較熱的中心,米粒的外緣是較冷的等離子體下沉,這也是各位購買了日珥鏡想要觀測物件之一,米粒組織的直徑約在1500公里左右,太陽表面約有400萬顆。

當這些上升的對流受到抑制時在表面就會形成溫度比較低的區域,原因則是周圍的磁場較強,抑制了區域帶電粒子的對流活動,從而導致這片區域無法獲得來自輻射層的能量,因此溫度比較周圍要低一些,在地球上看來就形成了所謂的黑子。

太陽上的活動,對地球到底有多大影響?

太陽黑子溫度比較低,會減少輻射的能量,是這樣嗎?這樣考慮似乎是沒有問題的,但前文說明了,太陽上強大的磁場在突出區域影響對流形成了黑子,那麼在發生黑子的區域就更容易發生活躍的日珥。

日珥是太陽上表面磁極不同(太陽磁場非常混亂)的區域以帶電粒子連接形成拱門一樣的壯觀場景,但太陽上大部分時候都是寧靜日珥,可達8000千米寬,50000千米高,可以存在數月之久。

但在黑子附近由于磁場變化劇烈,兩個不同磁極連接形成的活躍日珥,會突出表面數百萬公里,並且變化很快,有時候會突然爆發,並且很快就會斷裂,將「拱門」中的千萬噸甚至數億噸物質拋入太空。

這些物質以150萬千米~300萬千米/小時的速度穿過太陽系內的空間,當它們擊中地球時就會導致極其嚴重的太空天氣事故。

太陽活動如何影響地球?

太陽向宇宙空間輸出的不止光輻射,還有大量被加速到可以脫離太陽引力的帶電粒子,太陽時時刻刻都在輸送這種粒子,但太陽風暴不一樣,輸出的粒子會幾何級數般突增,它會以如下兩種典型的情況影響地球。

直接破壞

一種是高能粒子直接轟擊衛星,這種情況正常也有,但一般都是被磁場遮罩,被擋在了地球週邊,或者被兜在了范艾倫帶,但在太陽物質拋射事件時就會直接衝擊在衛星。

高能帶電粒子穿透遮罩層,直接撞擊在CPU或者其他晶片上,造成衛星誤動作,甚至復位重啟,更嚴重的就是擊穿報廢,因此衛星對于這種高能粒子真是敬而遠之。

比如2016年3月26日日本瞳衛星詭異失控,據日本專家分析就是高能粒子擊穿了姿態控制系統造成高速旋轉解體,這顆衛星曾是日本給予厚望的X射線研究衛星,發射才一個多月就已經有了大量的觀測資料,結果就此損毀。

間接破壞1

一種是這些粒子轟擊高層大氣分子,會讓地球大氣層「突然膨脹」,從而讓原本在稀薄大氣分子高度運行的衛星阻力突然增加,導致異常減速,從而會額外增加軌道調整能力。

最近並且最慘烈的案例就是2022年2月3日獵鷹9號向近地軌道發射的49顆StarLink衛星,其中40顆因為阻力比此前預估增加50%而墜毀。

當時這批衛星進入了的是近地點210千米,遠地點為339千米,傾角為53.2°,目的是檢查正常後這些衛星就將調整為340千米的大致圓形軌道,不正常就控制其墜毀,結果1月30日的一次CME(Coronal Mass Ejections:日冕物質拋射事件,M1級),在3日左右到達地球,導致大氣層膨脹。

星鏈衛星遭遇了大氣阻力遠超預期,而且因為太陽能電池無法對準太陽開啟離子發動機(阻力更大),星載電池堅持不了多久,結果40顆墜毀,直接損失估計超過6000萬美元,馬斯克臉都黑了。

間接破壞2

其實這個影響應該排在第二位,因為天文數字的帶電粒子沖進地球磁場范圍,會導致地球磁場扭曲變形,帶電粒子才能突破到稀薄大氣層附近。

同時這個變化的磁場卻是地球上大型輸電線路與通信線路的最害怕的因素之一,因為這個變化的磁場會在數千公里長的輸電線路上感應出強大的電流,並且其變化緩慢,和直流電差不多,導致變壓器鐵芯過熱超載燒毀,從而大規模影響輸電線路。

1989年的魁北克大停電就是其受害者,這是1989年3月9日發生的日冕物質拋射導致的結果。3.5天后的1989年3月13日2:44到達地球,此後磁暴發生,除了停電影響外,當時GOES氣象衛星的通信中斷,導致天氣圖傳輸丟失,NASA的TDRS-1通訊衛星記錄到250個異常等等。

大名鼎鼎的卡林頓事件就不用說了,這次是人類有記錄以來規模最大的日冕物質拋射事件,當時大量電報線路燒毀,加勒比海地區的看到極光(正常只會在南北極高緯度地區才能看到),要是發生在現代,據說其影響能讓全球經濟倒退10年。

除了日珥外,還有耀斑

耀斑是在太陽的盤面或邊緣觀測到的突發閃光現象,它會釋放出高達6 × 10^25焦耳的巨大能量,它經常發生于黑子周圍,是一種劇烈能量釋放的過程,但對于耀斑的產生原因卻知之甚少。

耀斑發生時不一定會發生日冕物質拋射,不過歷史上最大的幾次日冕物質拋射基本都是耀斑活動引起的,其通過一種叫做磁重聯的機制快速轉換為等離子體的熱能、動能以及輻射能,並產生大量高能粒子。

比如卡林頓事件之前觀測到了耀斑,2005年1月20日的太陽耀斑爆發後,在國際空間站工作的宇航員們不得不轉移到防護性能較好的艙室中,來躲避高能粒子的輻射。

延伸閱讀:耀斑活動的級別

耀斑軟X射線輻射量峰值來劃分其級別,由弱到強可分為A、B、C、M和X級。相鄰兩個耀斑級別的能量相差10倍。一次M3.5級耀斑爆發意味著該耀斑的軟X射線峰值通量為3.5×10-5瓦特/平方公尺。

對于A、B、C、M級耀斑來說,其字母後的數位不會超過10,而X級耀斑後的數字則可以為大于1的任意值,比如在2003年11月5日,GOSE衛星記錄到了強度為X28級的耀斑,但事實上是因為GOSE衛星的在28級飽和了,據其它探測資料綜合推算,這次耀斑活動將高達X45級別。(完)

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