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铮铮有声 | 日食,遮蔽了日面,却显露了日冕
发布时间: 2020-01-06 来源:未知 点击次数:

由SOHO探测器的日冕仪拍摄的日冕外部,中间实心圆是日冕仪遮挡的明亮部分,白色空心圆对应太阳日面的大小(来源: https://spaceweather.com/images2003/26jan03/coronagraph_sample.gif)

中国科学院国家空间科学中心

极紫外辐射拍照中的日珥(来源: https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width_feature/public/thumbnails/image/faq1.jpg)

(3)所有日冕的分立辐射线的总和,称为E日冕或L日冕( Emission )。这些线是一些高电离金属,例如刚才提到的铁原子丢掉13个电子形成的离子有关的射线。

太阳大气 温度随距离的变化以及分层示意图,其中Corona为日冕(来源:https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2009/26/aa10601-08/img10.png)

前言: 2019年的12月26日出现今年最后一次日食,可惜这次我们看不到日全食。 在日全食照片中可以注意到,日面被遮挡成一个黑色的圆盘,其周围还有一圈亮光,这就是太阳大气的最外层——日冕。 日冕的温度高达150万开氏温度,亮度却只有日面的几百万分之一,在日全食时是观察它的良好机会。

来源:中科院之声

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由于距离的问题,从地面上看,日面没有被前边的月亮遮挡完全,就是日环食和日偏食,会留下太阳愈发明亮的发光部分。遮挡全了就是日全食了,如下图所示。不过,从这类日全食照片中我们也会注意到,日全食的太阳周围好像另外还有一圈亮光?这些是什么呢?

别看日冕的温度高,它那些高电离的离子和电子的粒子数密度仅仅约为10 15 /m 3 。与之相比,我们身边的空气中的分子的数密度大概是2.7×10 25 /m 3 ,也就是说相差了几百亿倍。日冕主要由高速自由电子、质子及高度电离的离子组成,日冕的温度表征了其粒子运动的速度。日冕的温度随高度增加较为缓慢,几乎是均匀的。在高温之下,不仅氢、氦等原子被彻底电离,还有一些电离程度非常高的元素,例如铁原子丢掉13个电子形成的离子。下边的示意图给出了太阳大气温度随距离的变化以及分层,其中Corona就是日冕;而Fe IX/X、Fe XII、Fe XV都是铁原子丢掉大量电子形成的离子,下面的数字是其对应的射线,位置就表示了相应的温度。

在1931年发明日冕仪以前,天文学家们研究太阳时只能在日全食期间观察日冕。但是现在,随着技术的不断进步,新的观测手段不断增加,天文学家们对日冕的了解越来越多,也不再依赖于日食了。

作者:王铮

(1)没有吸收线的偏振的连续光谱,它是光球的辐射被日冕电子汤普逊散射形成的,称为K日冕( Kontinuierlich )。

我们在照片上也看到了,日冕有着突出的形状。日冕中其实存在着一些有趣的精细结构,例如冕流和极羽、冕洞、日冕凝聚区等。

以日冕的温度,它放射出来的多数是不可见光,其可见光的亮度仅仅是光球层的几百万分之一,约相当于满月的亮度,但白天天空对太阳光的散射可比夜间强得多,所以在平时,我们是辨认不出来日冕的存在的。但是,在日全食期间,日面那明亮的阳光完全遭到遮挡,我们就可以在黑暗的宇宙背景中看到太阳边缘的光芒万丈,日冕由此显现在我们眼前。长久以来,想要排除来自光球层和色球层其他强大的辐射干扰,好好研究日冕,日食都是非常重要的窗口。1931年,科学家依照日食原理发明了日冕仪,才使得日冕的研究更加有效。

科学家们了解到的日冕的特性,是通过观测日冕的各种辐射来推测的。日冕光由三部分组成:

我们看到的明亮耀眼的太阳,这些可见光来自太阳表面的一层称为光球层的部分,光球层下边的太阳不透明,上边透明,从光球层开始向外的太阳部分就称为太阳的大气。太阳大气不同高度的温度都是我们通过模拟计算出来的,光球层的温度被认为大约是5700开氏温度,而经过一些过程之后,太阳大气温度随着高度经过一个陡增,在上万公里高度可以达到150万开氏温度,这个温度极高、又处在太阳大气最外层的区域就称为“日冕”( Corona )。

例如我们有时在一些艺术图中看到太阳外圈环形的火舌(如下图所示),这种结构叫做日珥,它们起源于色球层,但是在日冕中伸展。日冕中有一种盔状光幕的发光区域,称为盔状物,其底部中心通常伴随有宁静日珥。

日冕光随高度的变化(来源: 论文Brandt, 1970,中文图扫描自《日地空间物理学》,涂传诒著)

由于我们熟知的太阳风其实是来自日冕的物质流,所以广义的日冕包括了太阳风所能达到的范围,也就是超过150亿公里的范围。不过我们通常认为的日冕范围(密度较大、亮度较高)在太阳周围大概15到20个太阳半径(约1030万到1380万千米)以内。日冕的形状与11年周期的太阳活动有关,在太阳活动极大年接近圆形,而在太阳宁静年则比较扁,赤道区较为延伸。

这部分我们涉及的专用名词比较多,大家只需要适当认识一下,感兴趣的朋友可以查找进一步的资料。

又如冕洞也是日冕中非常重要的结构,科学家们认为高速的太阳风是从冕洞中出来的。这种结构在X射线等非可见光的拍照中显现为黑色的大洞,下图是极紫外辐射拍照中显现出来的,这洞比地球要大得多。

极紫外辐射拍照中的冕洞 (来源: https://scied.ucar.edu/sites/default/files/images/large_image_for_image_content/sun_coronal_holes_sdo_aia_193_12jan2011_594x550.jpg)

另外,日冕还辐射软X射线(X日冕)以及射电范围的韧致辐射(R日冕)。

空间天气学国家重点实验室

12月26日,今年三次日食中的最后一次姗姗来迟。日食发生时,地球上有些地方的人们看到的是日环食,很多地方则是日偏食。如下图红色窄带所示,从沙特阿拉伯开始,经过卡塔尔、阿拉伯联合酋长国、阿曼、阿拉伯海、印度、斯里兰卡、印度尼西亚、马来西亚、苏拉威西海,在太平洋西部结束,这样一个条带的人们看到的是日环食。而在下图黑线中的其他区域,包括非洲东北部、亚洲(除北部)、印度洋北部、大洋洲西北部、太平洋西部这些地方,人们可以看到日偏食。其中,我们中国全境都可以看到日偏食。

日冕的磁场探测比较困难,主要是间接方法推测。

(2)不偏振的连续光谱,由于太阳光被行星际空间中的尘埃散射产生,呈现出光球光谱的所有夫琅禾费线,称为F日冕( Fraunhofer );这种光集中于黄道面,又称为“内黄道光”;

原标题:铮铮有声 | 日食,遮蔽了日面,却显露了日冕