“風(fēng)花雪月，皆為造化；雷霆雨露，俱是天恩”，這是我們對地球表面天氣變化的理解。然而在遠(yuǎn)離地表幾十公里之外，大氣極其稀薄的近地空間中，上演著不遜于地表氣象的激烈變化。造成這種空間氣象變化的幕后推手，就是本文要與大家講述的主角——太陽風(fēng)。

用肉眼看太陽，是一個(gè)圓的發(fā)光面，沒有什么可圈可點(diǎn)的地方。但如果您用天文望遠(yuǎn)鏡觀測過日食，就會發(fā)現(xiàn)不同。如果是日全食，會看到被遮擋住的太陽會留下一個(gè)亮圈，如果您的望遠(yuǎn)鏡分辨率很高，還會看到這個(gè)亮圈其實(shí)還包含著一些亮度不同的結(jié)構(gòu)。這個(gè)亮圈就是“日冕”。

隨著空間探測時(shí)代的到來，科學(xué)家們通過部署在空間探測器上的望遠(yuǎn)鏡對太陽進(jìn)行了“抵近觀察”，尤其是對波長在100~1600埃的極紫外線波段，揭示了太陽大氣中復(fù)雜的物理過程，使得人們對太陽大氣的認(rèn)識有了突破性的進(jìn)展。

與地球大氣被束縛在地球附近，只有很少量空氣的逃逸不同，太陽的大氣不斷向太陽外面膨脹。盡管太陽引力可以吸引住包括地球在內(nèi)的行星和各種太陽系內(nèi)的天體，卻依然無法吸引住太陽大氣。這是因?yàn)樘柎髿鈱?shí)在太熱了，熱壓驅(qū)動其向外膨脹。

觀測表明，日冕的溫度可以高達(dá)幾十億度以上，這就產(chǎn)生了很大的向外的熱壓力。向內(nèi)的太陽引力無法吸引住太陽大氣。太陽大氣就會從四面八方向外膨脹而去，距離太陽越遠(yuǎn)，熱壓力越小，最后與銀河系氣體的壓力形成一個(gè)平衡的接觸面。這個(gè)面內(nèi)所包含的空間，就叫做“日球?qū)印?/span>。而太陽大氣向外膨脹的物質(zhì)流，就叫做“太陽風(fēng)”。

太陽風(fēng)由完全的等離子體組成，其成分主要是質(zhì)子和電子，有極少量的重離子。這些物質(zhì)充斥在整個(gè)日球?qū)又畠?nèi)。大約有100個(gè)天文單位的大小。一個(gè)日地的平均距離，就叫一個(gè)天文單位，約為1.496億千米。

太陽通過自身引力所引發(fā)的熱核聚變產(chǎn)生能量。這些太陽內(nèi)部產(chǎn)生的能量通過輻射傳輸?shù)姆绞较蛲鈹U(kuò)散，被太陽外層的大氣吸收，被吸收之后再向外輻射，如此接力傳遞直到我們可以用肉眼看到的發(fā)光層——光球?qū)?/span>。光球?qū)雍鼙?，大約有幾百千米厚。

光球?qū)右暂椛涞姆绞较蚩臻g中發(fā)射能量，所以光球?qū)拥臏囟冉档土?，其黑體輻射溫度為5800K。光球?qū)觾?nèi)的溫差，由內(nèi)向外急劇下降，形成了巨大的溫差，這就導(dǎo)致了光球?qū)觾?nèi)部產(chǎn)生了強(qiáng)烈的對流，因此這層大氣也被稱作對流層。

對流的過程是由底部的氣體受到來自太陽內(nèi)部的輻射加熱開始膨脹，類似燒水的時(shí)候，熱水從水壺底部運(yùn)動到水面。這些氣體的熱量再通過輻射散發(fā)到空間中，導(dǎo)致溫度下降，體積減小，密度增加，在太陽引力的作用下，再回到底層。如此循環(huán)往復(fù)，形成對流。

每個(gè)對流元都在光球表面形成一個(gè)大約1000公里大小的圖案，中間亮，輻射強(qiáng)、溫度高，由上升的熱氣體元產(chǎn)生；周圍暗溫度低，是下降的冷氣體元。這種對流元產(chǎn)生的亮暗結(jié)構(gòu)叫做光球的米粒組織。

我們在日食過程中看到的白光是日冕層，這些白光來自電子散射發(fā)出。由于太陽有磁場，所以帶電粒子都會被束縛在磁力線周圍旋轉(zhuǎn)，電子散射的強(qiáng)度正比于散射體的密度。因此，我們看到的白光強(qiáng)度變化可以反映日冕層的密度結(jié)構(gòu)。

目前，直接測量日冕磁場的手段還不成熟，只能利用測量到的光球的磁場分布作為邊界條件，在一定的假設(shè)條件下，用電動力學(xué)方程得到。計(jì)算表明，太陽南北極發(fā)出的磁力線是開放的，中低緯度發(fā)出的磁力線是閉合的。兩極處開放的磁力線區(qū)域叫做冕洞。

用X射線空間望遠(yuǎn)鏡的觀測表明，太陽兩極位置的輻射強(qiáng)度極低。太陽風(fēng)就是來自這里。這說明，盡管太陽向外膨脹，但太陽風(fēng)并不是從太陽表面均勻向外發(fā)射，在低緯度區(qū)域，太陽大氣被太陽磁場束縛住，只有在高緯度和兩極附近，帶電粒子才可以沿著磁力線跑出來形成太陽風(fēng)。

之所以判定日冕層釋放的太陽風(fēng)有幾十億度的高溫是因?yàn)?，科學(xué)家們利用望遠(yuǎn)鏡加分光鏡發(fā)現(xiàn)了日冕層輻射出的射線中包含了鐵元素11次電離的離子所發(fā)出的一個(gè)特征譜線，其波長為1242埃。屬于極紫外線。由于鐵原子要發(fā)出這樣的譜線，必須要達(dá)到140萬K的高溫，因此，這條譜線說明了，其溫度是百萬K以上的高溫。

70年前，德國科學(xué)家比爾曼通過對彗星的觀測，預(yù)言了太陽風(fēng)的存在。他認(rèn)為，太陽向外連續(xù)輻射等離子體流，慧尾是被等離子體流攜帶而形成。后來空間探測表明這一預(yù)言是正確的，太陽發(fā)射出的等離子體射流被命名為太陽風(fēng)。

太陽風(fēng)與地球磁場發(fā)生相互作用，地球磁層就是被太陽風(fēng)壓縮的地球磁層所占據(jù)的空間。由于地球的磁層內(nèi)也存在著等離子體，而等離子體在磁場中的運(yùn)動又產(chǎn)生電場并導(dǎo)致能量輸運(yùn)，這些能量又會在磁層中耗散掉。這些就是磁層物理的研究課題。

結(jié)束語

關(guān)于太陽風(fēng)本文就介紹到這里了，如果您想在地面上感受太陽風(fēng)和地球磁層的活動就需要看極光；如果您想在地面上看太陽風(fēng)的存在就看彗星的等離子彗尾；要感受太陽大氣和太陽風(fēng)的起源就看日全食外面的白色亮環(huán)。

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