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原創(chuàng) 日冕溫度高達(dá)100萬℃，帕克太陽探測器為何沒被融化還能拍照？
2023-12-22 08:47 發(fā)布于：江蘇省 奇趣魅麗坊 太陽是我們生命的源泉，也是我們?nèi)祟愄剿饔钪娴囊簧却翱?。太陽的大氣層由里到外分為光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰釋?。其中，日冕層是最外面也最熱的一層，溫度高達(dá)100萬攝氏度，甚至有些地方達(dá)到了1000萬攝氏度，任何靠近它的物體都會(huì)被瞬間汽化，而且有意思的是這個(gè)溫度比太陽表面的溫度要高出幾百倍。這個(gè)奇怪的現(xiàn)象一直困擾著科學(xué)家們，因?yàn)榘凑粘＠?，離太陽中心越遠(yuǎn)，溫度應(yīng)該越低才對(duì)。 
日冕層溫度之謎
日冕層是太陽大氣的最外層，厚度達(dá)到幾百萬公里以上。它是由高溫高能的等離子體組成，主要由氫、氦和一些重元素構(gòu)成。日冕層的溫度雖然比太陽表面的溫度（約6000攝氏度）高出了幾百倍。但是，它的密度卻非常低，大約是光球?qū)用芏鹊?0^-12倍，因此它發(fā)出的可見光非常微弱，只有在日全食期間才能看到。日冕層溫度之謎是太陽物理學(xué)中一個(gè)重要而未解決的問題。為什么日冕層會(huì)比光球?qū)訜岬枚啵窟@意味著會(huì)有什么機(jī)制在不斷地給日冕層輸送能量，才使其加熱到如此高溫。科學(xué)家們提出了許多假說和理論，但都沒有得到確鑿的證據(jù)和普遍的認(rèn)可。目前，最有可能的機(jī)制是與太陽磁場和磁流體力學(xué)有關(guān)。 
太陽的磁場是由太陽內(nèi)部的等離子體流動(dòng)產(chǎn)生的。由于太陽不是剛性旋轉(zhuǎn)，而是赤道旋轉(zhuǎn)速度比極區(qū)快，所以磁場會(huì)隨著時(shí)間變化，并且在不同緯度形成不同的結(jié)構(gòu)和模式。這些磁場線穿過太陽表面，連接不同極性的磁極點(diǎn)，并延伸到日冕層中，它們可以束縛和引導(dǎo)日冕層中的等離子體運(yùn)動(dòng)，而影響其溫度和密度。
一種可能的機(jī)制是納米閃焰加熱。納米閃焰是指在太陽表面發(fā)生的微小、頻繁、難以觀測到的閃焰事件。它們是由于太陽磁場不斷地扭曲、重聯(lián)、斷裂而產(chǎn)生的能量釋放過程。每一個(gè)納米閃焰都只能產(chǎn)生很少的能量，但是它們數(shù)量眾多，累積起來就可以對(duì)日冕層產(chǎn)生顯著的加熱效果。
另一種可能的機(jī)制是波動(dòng)加熱。波動(dòng)加熱是指由于太陽內(nèi)部對(duì)流層和光球?qū)又胁环€(wěn)定和湍流運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波、磁波、阿爾芬波等波動(dòng)向上傳播，到達(dá)日冕層時(shí)被部分反射、部分透射、部分耗散。這些波動(dòng)在日冕層中的耗散會(huì)將能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而加熱日冕層。 
帕克太陽探測器的壯舉
為了解開日冕層溫度之謎，以及探索太陽大氣層和太陽風(fēng)的其他奧秘，美國國家航空航天局（NASA）于2018年發(fā)射了帕克太陽探測器，這是人類歷史上第一次向太陽發(fā)射探測器，也是最接近太陽的探測器。帕克太陽探測器的主要科學(xué)目標(biāo)是追蹤能量和熱量是如何通過日冕移動(dòng)的，以及探索是什么加速了太陽風(fēng)和太陽高能粒子。
帕克太陽探測器將飛到離太陽足夠近的地方，觀察太陽風(fēng)從亞音速到超音速的速度，它也會(huì)飛過最高能量的太陽粒子的誕生地。它采用了多次飛掠金星借助其引力助推來逐漸減少其軌道的近日點(diǎn)，以達(dá)到最終距離太陽表面8.5個(gè)太陽半徑（約640萬公里）的軌道上。在這個(gè)距離上，帕克太陽探測器將經(jīng)歷約1300萬攝氏度的高溫，并以每小時(shí)58.68萬公里（約0.05%光速）的速度飛行。這些都是人類航天史上前所未有的極限挑戰(zhàn)。
終于在2021年12月14日，NASA宣布了一個(gè)令人震驚的消息：帕克太陽探測器正在首次穿越日冕層中，成為人類歷史上第一次“接觸”太陽的航天器。這是太陽科學(xué)的一個(gè)重大突破，也是人類探索宇宙的一個(gè)偉大壯舉。 
帕克太陽探測器是如何抵抗高溫的？
帕克太陽探測器在穿越日冕層時(shí)，要面對(duì)高達(dá)1300萬攝氏度的極端高溫，這比鐵的熔點(diǎn)高出近3000倍。任何靠近它的物體都會(huì)被瞬間汽化，那么帕克太陽探測器是如何做到不被融化還成功給太陽拍照的呢？
答案是，帕克太陽探測器利用了一個(gè)精心設(shè)計(jì)的防熱系統(tǒng)，包括一個(gè)巨大的碳復(fù)合材料防護(hù)罩、一個(gè)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和一個(gè)精密的姿態(tài)控制系統(tǒng)。
防護(hù)罩是帕克太陽探測器的核心部件，它由11.43厘米厚的碳復(fù)合材料制成，直徑約為2.4米，重量約為72.5公斤。防護(hù)罩可以抵擋高達(dá)1400攝氏度的溫度，并將其反射到空間中，使得防護(hù)罩后面的儀器和探測器保持在30攝氏度左右的溫度。防護(hù)罩上還涂有一層白色陶瓷涂層，用于提高反射率和降低輻射吸收。
主動(dòng)冷卻系統(tǒng)則是帕克太陽探測器的另一個(gè)關(guān)鍵部件，它由一套水循環(huán)系統(tǒng)組成，可以將防護(hù)罩后面產(chǎn)生的多余熱量通過散熱板排放到空間中。水循環(huán)系統(tǒng)包括一臺(tái)泵、一臺(tái)蒸發(fā)器、一臺(tái)冷凝器和一臺(tái)膨脹器，以及一系列管道和傳感器。水循環(huán)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)水流量和壓力，以適應(yīng)不同的溫度條件。 
而姿態(tài)控制系統(tǒng)是帕克太陽探測器的最后一道防線，它由一套推進(jìn)器、陀螺儀、星敏感器和軟件組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整探測器的姿態(tài)和軌道，確保防護(hù)罩始終對(duì)準(zhǔn)太陽，并避免任何部件暴露在日冕層中。姿態(tài)控制系統(tǒng)還可以根據(jù)飛行計(jì)劃執(zhí)行軌道修正和科學(xué)觀測任務(wù)。
借助這三個(gè)部件的協(xié)同作用，帕克太陽探測器能夠在日冕層中安全地飛行，并收集到前所未有的數(shù)據(jù)和圖像。此外，帕克探測器還有一個(gè)高增益天線，可以在極端溫度下與地球通信，并傳輸大量數(shù)據(jù)。
帕克太陽探測器給我們帶來了什么新發(fā)現(xiàn)？
帕克太陽探測器在穿越日冕層時(shí)，攜帶了四套科學(xué)儀器，分別是：太陽風(fēng)電子、阿爾芬波和離子套件、太陽探測杯、太陽能粒子探測器套件、太陽磁場探測器套件及廣角成像光譜儀套件，它們各自都有著不同的任務(wù)和作用。
通過這些儀器，帕克太陽探測器已經(jīng)給我們帶來了一些驚人的新發(fā)現(xiàn)，例如：
它首次觀測到了日冕層中的“冰雹”現(xiàn)象，即一些高速運(yùn)動(dòng)的等離子體團(tuán)塊，它們沿著磁場線從太陽表面彈出，并在日冕層中反彈。這些“冰雹”可能是由磁重聯(lián)或其他不穩(wěn)定性引起的，它們可能是日冕層加熱的一個(gè)重要因素。
它還首次直接探測到了阿爾芬波在日冕層中的存在，這些波是由磁場和等離子體共同振蕩產(chǎn)生的。阿爾芬波可以在日冕層中傳輸能量，并在遇到不均勻或不穩(wěn)定性時(shí)產(chǎn)生湍流。湍流可以增加等離子體的粘滯性和電阻性，從而導(dǎo)致能量耗散和加熱。
還首次發(fā)現(xiàn)了日冕層中存在著一種新型的磁重聯(lián)事件，稱為開放場線重聯(lián)，以及首次揭示了日冕層中存在著一種新型的高能粒子加速機(jī)制，稱為“遠(yuǎn)距離加速”。 
帕克太陽探測器對(duì)我們有什么意義？
帕克太陽探測器不僅是人類對(duì)太陽科學(xué)的一個(gè)重大貢獻(xiàn)，也是對(duì)人類自身利益的一個(gè)重要保障。因?yàn)樘柌粌H是我們生命的源泉，也是我們生活的威脅。太陽不斷地向外噴射出大量的等離子體，形成太陽風(fēng)。太陽風(fēng)會(huì)影響地球的磁場、大氣層、電離層、極光、氣候和生物等。而太陽活動(dòng)預(yù)計(jì)將于2025年達(dá)到高峰，可能會(huì)引發(fā)更多的太陽風(fēng)暴、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等災(zāi)害性空間天氣事件，對(duì)地球的磁場、大氣、電力、通訊、導(dǎo)航、航空航天等系統(tǒng)造成干擾和損害，甚至影響人類和其他生物的健康和安全。因此，帕克探測器給太陽拍照不僅是為了滿足人類對(duì)太陽的好奇心，更可以幫助我們更好地理解太陽和太陽系的物理過程，預(yù)測太陽活動(dòng)的變化，揭開太陽的許多謎團(tuán)和奧秘，以便為人類應(yīng)對(duì)太陽活動(dòng)帶來的挑戰(zhàn)提供更準(zhǔn)確和及時(shí)的信息和建議。
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