第四节 永不休止的太阳风
伍岳明 曹明富合著 谨以此书献给2005——世界物理年！
前面我们介绍了从太阳光球层向外有多姿多彩的太阳色球层；介绍了温度从色球的几万开猛升到几十万开乃至百万开的薄薄的色球——日冕过渡区；现在又介绍了日冕这个既受太阳磁场制约又充满变化的复杂结构的太阳外层大气。那么日冕的外边界是否就是太阳的物质边界，是太阳威力所及的极限
?日冕到底有多大?日冕是不是可以触及到地球
?或者日冕是不是以太阳本体为核心的一团有限大小的气体?能不能向更远处扩张
?这一系列问题都有待人类的进一步研究。
直到20世纪
50年代，人类对于太阳与地球之间到底有没有物质的问题，较普遍的看法还是：日地之间是略含尘埃的真空，偶而才会受到来自太阳的微粒或等离子体的干扰。但是观测与研究使科学家们越来越怀疑这种看法的正确性。到了
20世纪50年代后期，有三个方面的观测分析工作否定了日地之间是略带尘埃的真空的看法，提出了太阳向行星际空间有连续的微粒辐射的看法。第一方面的工作是，在分析刚刚日落之后或刚刚日出之前，近太阳处的地平面上出现的微弱的黄道光时，发现要想用电子散射解释黄道光的特性，就应该认为地球附近有较大的电子密度；第二方面的工作是观测到即使没有太阳爆发也会有地磁扰动不断出现，极光也总在发生，这说明地球经常受到太阳粒子流的轰击；第三个重要方面是观测分析彗星在接近太阳时，其尾部的延伸方向也揭示出应该有一股从太阳来的“风”吹向彗星。
在太阳时时都有连续的微粒辐射这个新看法还没有得到直接的观测证实之前，科学家们发挥了人类独具的理论分析才能。
1958年，美国太阳物理学家帕克，在前人观测研究的基础上，提出了“太阳风”的概念，并从理论上证明了太阳风的存在。他认为，日冕大气同时受到向着太阳内部的重力的作用和向外的热压力的作用，由于日冕的高温，太阳重力不足以把日冕气体吸引在太阳的周围、形成静止状态的大气层，于是日冕气体要连续地向外膨胀成为太阳风。
1962年
8月27日水手2号飞船升空，首次对太阳风做了
128天的观测，证实了太阳风的存在，证实了帕克预言的正确。其后30多年来，有关太阳风的观测与理论工作得到了快速的发展。人造卫星不但探测了地球附近的太阳风，还探测了深空中的太阳风；不但探测了地球公转轨道平面附近的太阳风；还对太阳极区的太阳风做了探测。
在地球附近测量的结果表明，太阳风主要由电子和质子组成，也含有一些离子，最主要的是氦原子的核。下表列出了在地球附近的太阳风的性质。
表6.41 地球附近太阳风的性质
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参量
(单位)
|
最小值
|
最大值
|
平均值
|
流量 ［ 个
>/(平方厘米·秒)］
|
1.0
|
100
|
3.0
|
|
速度 (千米
>/秒)
|
200
|
900
|
400
|
|
粒子数密度 (个
>/立方厘米)
|
0.4
|
100
|
6.5
|
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电子温度 (1000开
>)
|
5
|
1000
|
200
|
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质子温度(1000开
>)
|
3
|
1000
|
50
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磁场强度( 高斯
>)
|
0.2
|
80
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6.0
|
|
氦成分与氢成分之比
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0.0
|
0.25
|
0.05
|
实际观测到的行星际磁场(即太阳风中的磁场
)强度在太阳半径方向上的分量和太阳风粒子流的数密度都与离太阳的距离的平方成反比，这是因为太阳风离开太阳后应遵守质量守恒与磁通量守恒的定律。同时，太阳风的参量在一个太阳黑子周之内也有变化，在太阳黑子数低年时太阳风密度和速度都较高。
在日冕低层，日冕气体膨胀速度较低，随着高度的增加，日冕膨胀速度也迅速增加，一直到距太阳的某个距离附近，往外流的太阳风的速度超过了声音传播的速度。此外，在日冕的物理作用下，日冕磁场与日冕物质是“冻结”在一起的，日冕物质的膨胀也把磁场携带到了行星际空间，形成了行星际磁场。行星际磁场起源并扎根于太阳光球，所以根部也随着光球的自转而旋转，当磁场随物质膨胀到行星际空间时，根部的磁场又已随着太阳自转转过了一定角度。因此，在行星际空间的磁场因起源于太阳而呈现出磁感线被缠绕成螺旋线的形式，
图6.41 螺旋状行星际磁场
如图6.41所示。
行星际磁场起源于太阳表面，太阳表面的磁场极性也就被太阳风带到了行星际空间。太阳的不同区域有不同的磁场极性，行星际的磁场也就具有了不同的极性。从观测知道，行星际磁场在地球轨道平面上常常表现成几个区域，相邻的两个区域具有相反的磁极性。如果一个区域的磁场方向是向着太阳，它两边相邻的区域的磁场就具有背着太阳的方向。这称为行星际磁场极性的扇形分布，也是太阳风磁场极性的扇形分布，如图
6。42所示，这是威尔柯克斯等据IMP-1飞船测量得到的。图中心是太阳本身，几个扇形区的磁性正负相间，相邻的极性相反的区域被磁中性片分隔开，在磁中性片上磁场为零，中性片两侧磁场反向。扇形分布随太阳自转，使得不同磁性的区域以太阳为中心旋转扫过日地空间。所以地球附近的行星际
(太阳风)磁场的极性必然随时间而变换，且每次变换时地球都要被磁中性片扫过一次。
图
6.42 行星际磁场极性的扇形分布
太阳活动低年太阳附近的磁场分布，小黑线箭头表示磁场的方向，“
+”代表磁场的方向是从太阳表面指向行星际空间，“-”号表示磁场的方向是从行星际空间指向太阳表面。
太阳风不是平稳地流动，从日面上流出之后就开始了加速，在短时间内加速到超音速的流动。太阳风的磁场测量使我们知道了，太阳风中存在着磁场强度的起伏变化。冕洞发出的太阳风高速流和太阳爆发产生的高速流在低速太阳风中的流动会展现出种种复杂的太阳风结构。在太阳爆发之后，卫星常可观测到太阳风的速度、磁场、密度的跳跃性突变。
太阳风实际上充当了日地之间的联结者，极大地体现了太阳对地球影响的中介，太阳风的观测与研究一直受到太阳和空间物理、地球物理研究者的高度重视。但是，至今我们还不清楚太阳风为什么能加速到高速流那么快，它的能量是从哪儿来的。有的科学家认为是波动把能量从下面带到上面供给了日冕和太阳风；有的科学家提出是磁场的起伏把磁能转给了太阳风。最近有一种颇具说服力的看法，认为是下面磁场的重新连接释放出的磁能加速了太阳风。无论怎么说，太阳风的观测研究与理论研究都面临了巨大的挑战。共旋起电假说就是面对挑战，能自圆其说的理论，期望该理论能有益于太阳大气活动机理的研究和探索。
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