太陽風

太陽風（英語：solar wind）特指由太陽上層大氣射出的超高速等離子體（帶電粒子）流。非出自太陽的類似帶電粒子流也常稱爲「恆星風」。

太陽風作用下的地球磁場示意圖

位於「終端震波」附近的「航海家」號空間探測器

在太陽日冕層的高溫（幾百萬克氏度）下，氫、氦等原子已經被電離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，射向太陽的外圍，形成太陽風。 太陽風的速度一般在200-800km/s。 一般認為在太陽極小期，從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風，從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風。太陽的磁場的活動是會變化的，週期大約為11年。

太陽風一詞是在1950年代被尤金·派克提出。但是直到1960年代才證實了它的存在。長期觀測發現，當太陽存在冕洞時，地球附近就能觀測到高速的太陽風。因此天文學家認為高速太陽風的產生與冕洞有密切的關係。太陽表面的磁場及等離子體活動對地球有很重要的影響。當太陽發生強烈的活動時，大量的帶電粒子隨着太陽風吹向地球的兩極，就會在兩極的電離層引發極光。

性質

太陽風作用下的地球磁場藝術想象圖

在太陽系中，太陽風的組成和太陽的日冕組成完全相同。73%的是氫，25%的是氦，還有其他一些微蹤雜質。可是目前還沒有精確的測量結果。2004年起源號的取樣分析失敗，因為在它返回地球時的緊急降落沒有打開降落傘。 在地球附近，太陽風速為200-889 km/s，平均值為450 km/s。大約800 kg/s的物質被以太陽風的形式從太陽逃逸。這同太陽光線的等價質量相比是很小的。如果把太陽光線的能量換算成質量，大約每秒鐘太陽損失4.5Tg(${\displaystyle 4.5\times 10^{12}}$ g)的質量。

太陽風中的電子、質子的平均能量是1.5至10電子伏特，太陽噴射出的粒子數目為1.3×10³⁶ 每秒。因此太陽風的功率為1.95至13×10³⁶ 電子伏特每秒，即3.1239至20.826×10¹⁷瓦特。這與太陽的輻射通量3.846×10²⁶瓦特相比，太陽風的能量是太陽的電磁輻射的0.812至5.41×10^-9，即十億分之一量級。

因為太陽風是等離子體，所以太陽磁場被它承載。由於太陽的轉動，太陽磁場被太陽風拉扯成螺線形狀。通常太陽風的能量爆發來自於太陽耀斑或其他被稱為「太陽風暴」的氣候現象。這些太陽活動可以被太空探測器和衛星測到，主要標誌是強烈的輻射。被地球磁場俘獲的太陽風粒子儲存在范艾倫輻射帶中，當這些粒子在磁極附近與地球大氣層作用引起極光現象。 具有和地球類似的磁場的其他行星也有極光現象。

在星際媒質（主要是稀薄的氫和氦）中，太陽風就像是吹出了一個「大氣泡」。在太陽風不能繼續推動星際媒質的地方稱之為日球層頂（heliopause），這也通常被認為是太陽系的外邊界。 這個邊界距離太陽到底多遠還沒有精確的結果，可能根據太陽風的強弱和當地星際媒質的密度而變化。一般認為它遠遠超過了冥王星的軌道。

學術研究歷史及未來研究方向

在1930年代，科學家已經知道太陽的日冕層有幾百萬攝氏度的高溫，這是通過在日全食時觀察到的日冕的突出形狀推算的。一些相關的光譜分析工作也證實了這個高溫。 在五十年代，英國數學家Sydney Chapman計算分析了在如此高溫及如此好的導熱條件下氣體的性質。他發現日冕一定會延伸到地球軌道以外的空間中。同樣在五十年代，德國科學家Ludwig Biermann對彗尾的逆太陽方向現象（即無論彗星運動方向是朝向太陽還是遠離太陽，其尾部總是指向遠離太陽的方向）開展了相關研究， 他推測是太陽吹出來的穩定的風壓迫彗尾產生了這個現象。

1958年，Parker預言應該有一股強勁的風從太陽不間斷的吹出來，使等離子體充斥行星際之間的太空。 在此之前，科學家認為這個空間是一個真空。 Parker 意識到在Chapman的模型中太陽向外發散熱量與Biermann得用來解釋彗尾的假設應該是同一種現象。Parker證明即使日冕被強烈的太陽引力束縛，由於它是熱的良導體。日冕仍然會在離太陽很遠的距離處保持高溫。這是因為引力的大小隨着距離的增大而減小, 所以在日冕外層的太陽大氣會逃逸到太空中去。

當時對Parker太陽風假說的反對意見是很強的。 他投遞給天文物理期刊的論文被兩個評審員拒絕了。但是當時的編輯蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（他後來獲得了1983年諾貝爾物理學獎）保存了這篇論文。

在1960年代，這個太陽風假說被直接的衛星觀測證實了。此發現永遠的改變了科學家對行星際空間的看法，並得以解釋很多現象，像「磁暴」（可以使地球上的供電網絡癱瘓）、極光還有其他一些太陽地球現象甚至遙遠的恆星形成等。

參考文獻

來源

刊物文章

• Parker, E. N. Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields.. The Astrophysical Journal. 1958-11, 128: 664 [2022-04-15]. Bibcode:1958ApJ...128..664P. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/146579. （原始內容存檔於2019-10-28） （英語）.

參見

• 太陽系主題

• 磁頂
• 磁層
• 電離層
• 激波
• 磁暴
• 極光
• 太空颶風