自從我們誕生之初,太陽每天從地平線升起,讓地球沐浴在陽光普照的溫暖中。太陽是祥和謙恭的,但太陽爆發(超級太陽風暴)會給現代人類帶來無盡的災難。所以,從古至今我們一直對太陽充滿感激、好奇和敬畏!2018年帕克太陽探測器發射升空!這艘杰出的無人宇宙飛船,至今保持著人類探測器最接近太陽表面的記錄850萬公里,并以高達每秒200公里的速度成為速度最快的人造物體,隨著探測計劃的不斷進行,帕克太陽探測器將不斷刷新自己創造的記錄。
近距離看太陽是什么樣的?太陽能給人類帶來哪些災難?太陽引力又強溫度又高,帕克太陽探測器都有哪些黑科技,完成不可能完成的任務?
近距離看太陽是什么樣的?當我們凝視太陽表面時,能看到什么?
作為太陽系的核心,太陽是我們唯一可以詳細觀察的恒星。我們對太陽了解的越多,對銀河系乃至其他星系的了解就越多。
幾十年來,天文學家使用多種工具,包括地面望遠鏡和空間望遠鏡來觀測研究太陽。太陽是一個巨大的球體,由難以想象的熾熱等離子體組成。它沒有固體表面,我們看到的“表面”被稱為光球層。數萬年之前形成的光子,經過不斷反彈,最終掙脫太陽的束縛,經過8分20秒射到地球,到達人類身邊,溫暖著萬物。雖然我們稱它為表面,但光球層實際上是太陽大氣層的第一層,也是我們可以直接觀察到的最深層。它大約有500公里厚,考慮到太陽69,5500公里的半徑,這一層相對較薄。光球層的溫度約為6300攝氏度,這使其足以熔化鉆石。
這是使用井上建太陽望遠鏡拍攝的,是迄今為止最高分辨率的光球層圖像。顯示出太陽表面最小30公里的細節。光球層就像一鍋煮沸的熱湯,咕嘟咕嘟冒著熾熱的氣泡。這種魔幻的等離子冒泡很好解釋,來自太陽內部的熱等離子體上升到表面,在對流過程中冷卻并下沉,與水在沸騰的鍋中冒泡同理。在明亮區域可以看到熾熱的新上升等離子體,而黑暗邊緣則冷卻并沉入太陽內部,最小的結構據估計也有中國青海省那么大。
散布在整個光球層的還有太陽黑子,它們呈現出黑色暗斑特征。這些比地球還大的區域,溫度只有2000~3000攝氏度比周圍環境要冷得多,所以看起來很暗。太陽黑子是由強大的太陽磁場干擾引起的,這些磁場太強了,以至于一些熱量無法逸出并到達表面。磁場非常活躍,經常糾纏、交叉、重組,同時引起突然的、強大的能量爆炸。我們看到太陽上突然亮一塊,叫它太陽耀斑。
大部分時候耀斑還伴隨著日冕物質拋射,這些物質是含有數十億噸帶電粒子的巨大氣泡,以極高的速度沖向太空。這就形成我們上面說的超級太陽風暴。
太陽能給人類帶來哪些災難?
幾十億年后,太陽變成紅巨星會吞噬地球,人類也無法幸免。當然這個時間跨度太長,最近的災難也是有的--超級太陽風暴。
1859年9月1日,英國天文學家理查德·卡靈頓發現太陽表面出現湍流現象,這是有史以來最猛烈的太陽爆發(超級太陽風暴)之一。太陽爆發被科學家稱為日冕物質拋射。超過數十億噸的太陽粒子朝地球的方向襲來。根據卡靈頓的觀測數據,科學家現在估計太陽爆發的速度超過了每小時800萬公里。全世界都能看到它的影響。北極光和南極光通常只在兩極出現,但是那天晚上,它們一直延伸到熱帶地區。英國儀器記錄了劇烈的地磁波動。電報線路火花帶閃電的成片燒毀,三個月后才得以修復。
1989年3月,太陽風暴敲響了現代警鐘。一場太陽風暴摧毀了加拿大魁北克電網,導致600萬人斷電長達9小時。據統計,這次太陽風暴給魁北克電網造成了一千萬美元的直接損失,而停電給用戶造成的間接損失則高達數億美元。太陽耀斑大約以11年為一周期呈現出有規律的爆發高峰期。在高峰期內的2周半時間里,科學家們記錄了17次太陽爆發,其中包括有史以來最大的太陽X射線爆發。太陽粒子損壞了28顆通信衛星,GPS導航系統停擺30個小時。
2003年,萬圣節太陽風暴并沒有影響到地球。光子沖擊波橫掃火星,其強度之大,以至于燒毀了火星全球勘測者探測器上的輻射監測器。具有諷刺意味的是,這臺儀器的設計初衷是,研究人類探險家未來在地球以外的任務中可能遇到的輻射。此時在前往遙遠太陽系邊緣途中的兩艘旅行者號宇宙飛船,記錄下了相同的太陽能脈沖。雖然太陽風暴對身處地表的人類健康沒有威脅,但它會對現今這個日益依賴能源和技術的世界構成重大威脅。
美國國家科學院曾發表一篇報告認為,像1859年那樣的超級太陽風暴,僅第一年就可能給地球造成1至2萬億美元的損失。并且這種量級的超級太陽風暴,大約每150年就會襲擊地球一次。照這個速度,不久之后地球可能還會再來一次。每一次猛烈的爆發,太陽都會放出另一個線索和警告,讓我們為下一次超級太陽風暴做好準備。所以,我們才認真研究太陽,防患于未然,為迎接下一次挑戰做準備。帶著人類的希望,帕克出發了!
太陽引力又強溫度又高,帕克太陽探測器都有哪些黑科技,完成不可能完成的任務?
首先,我們要弄清帕克太陽探測器的任務目標,共有三個:
第一,追蹤加熱日冕與加速太陽風的能量流動。
(為什么光球層6300度,日冕層50萬度)
第二,確定太陽風源頭的太陽磁場的動力學和結構。
第三,確定傳輸和加速高能粒子的機制。
其次,太陽引力超強,帕克探測器怎么接近太陽呢?
盡管太陽是我們整個太陽系的錨點,但要接近它并不容易。發射入軌時需要達到21.4公里/秒的速度,這是一個遠遠超出德爾塔V型火箭能力的速度。所以,德爾塔V型火箭為了給帕克探測器一個額外的推力,配備了特殊的第三級固體火箭,提供額外的3公里/秒的速度。與軌道中的每一個物體一樣,帕克在接近近日點時會加速,遠離時會減速。當探測器在太陽附近繞行時,它的速度高達每秒200公里,帕克將暫時成為速度最快的人造物體。帕克探測器在發射后將7次借助金星重力助推,來逐漸減小橢圓軌道的近日點。2018年11月帕克首次飛過近日點時與太陽光球層的距離約為2410萬公里,2024年12月這一距離將減小到616萬公里,約為日地距離的4%。在這些抵近飛越過程中,科學家能更好的認識太陽風的形成以及日冕的極端加熱機理。整項任務共打算進行24次飛越,時間將持續到2025年。
最后,太陽溫度超高,帕克探測器怎么隔熱呢?
這個秘密在于它頭頂的白色護盾中。
第一,護盾主要由直徑11.4厘米的碳泡沫材料制成,這是一種迷人的材料,由超美材料創新實驗室開發。在掃描電子顯微鏡下碳泡沫是這樣的,一種類似無須蜂窩狀的多孔材料。主體以開放空間為主,其內部體積97%的空間是空的。奇妙的結構和碳的熱穩定性,提供了難以想象的隔熱性能。接下來是碳碳復合材料,它是由石墨和有機粘合劑(如瀝青或環氧樹脂)結合制成的。這種混合物被涂抹到泡沫的每一面,然后,通過加熱將粘合劑轉化為純碳形式,創建碳碳復合材料。
第二,在面向太陽的一面涂上一層白色陶瓷涂料,以便在熱量進入隔熱罩之前,盡可能多地將熱量從隔熱罩反射出去。從這里開始,飛船的其他部分,除了一些專門的傳感器和太陽能電池板外,主體都躲在遮陽罩的本影內,它們的工作溫度稍微高于室溫不會被燒毀。
第三,帕克的機載電腦能實時調整遮陽罩相對于太陽的角度,保證精密儀器的安全。露在外面的傳感器經過特殊設計不怕高溫,負責收集太陽的電子和離子,使帕克有能力研究來自太陽的大規模爆發。太陽能電池板會適時調整自己的位置,在帕克飛抵近日點時,大部分收起躲在遮陽罩后面,只露出兩塊較小的輔助面板。太陽能板用水冷卻,循環水通過太陽能板泵入黑色散熱器,這些散熱器連接在遮陽板下方的鈦支架上。
這是帕克探測器2021年飛過太陽日冕時,捕捉到的令人難以置信的照片。這是在探測器最接近太陽表面的5個小時中拍攝的,其中有帶電氣體和等離子體條紋,我們稱之為日冕流光。除此之外,科學家還在分析帕克收集到的眾多數據,以讓我們更好的了解眼前這個大火球。