作者：王錚（中國科學院國家空間科學中心）

文章來源於(yu) 科學大院公眾(zhong) 號（ID ：kexuedayuan）

——

2019年，美國國家航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）探測的原始數據及其分析結果開始發布，讓這枚探測器再次進入人們(men) 的視線。

帕克是目前人類曆史上最近距離的“探日”，探索太陽風形成過程及對太空天氣的影響，嚐試解開日冕的極端高溫之謎， 簡言之就是探索太陽的大氣。

帕克探測器藝術圖（圖片來源：https://media.nature.com/）

太陽大氣外圍（圖片來源：https://www.nasa.gov/）

說到大氣，不由得讓我們(men) 聯想到地球周圍包裹的大氣層。我們(men) 研究地球大氣的時候，會(hui) 根據其各種參量的性質分成一些圈層：靠近地麵的部分稱為(wei) 對流層，密度大、下熱上冷，因為(wei) 冷熱帶來的密度變化進行著氣體(ti) 與(yu) 能量的對流，風雨雷電都產(chan) 生在這裏；向上有平穩的平流層、過渡的中間層、越往上溫度越高的熱層等。

中性大氣參量隨高度變化（圖片來源：熊年祿等《電離層物理概論》）

地球大氣能夠分層，是因為(wei) 空氣分子在地球重力、太陽輻射加熱以及其他物理過程的作用下，其密度、溫度等性質出現了明顯變化。那麽(me) ，太陽大氣有沒有分層，分層的依據是什麽(me) 呢？

太陽大氣究竟分幾層？

太陽大氣的分層有一定的任意性，其實也不完全統一。比較廣泛接受的分層同樣與(yu) 溫度有關(guan) ，是按照一定模式計算出來溫度剖麵，根據剖麵的變化性質劃分的。太陽大氣從(cong) 內(nei) 到外主要分為(wei) 光球層、色球層、過渡區和日冕。各個(ge) 層當中都存在許多大尺度的結構，一些結構可以貫穿多個(ge) 圈層，而且由於(yu) 其複雜的加熱和磁場結構，各個(ge) 圈層的高度、厚度等也存在很多爭(zheng) 議，不過我們(men) 大多認同這些高度層次的劃分。

作為(wei) 一個(ge) 氣態星球，太陽其實分為(wei) 內(nei) 外的結構，內(nei) 部產(chan) 生的巨大能量對流傳(chuan) 遞到外層後，從(cong) 光球層開始發出太陽光。光球可以看成一個(ge) 發光殼，光球外邊（上麵）的部分對於(yu) 光球發出的光線是透明的，我們(men) 稱之為(wei) 太陽大氣；相反，光球以內(nei) （下麵）的區域氣體(ti) 密度過高，內(nei) 層氣體(ti) 的輻射會(hui) 被外層吸收，故而表現為(wei) 非透明區域，則為(wei) 太陽內(nei) 部，其性質目前主要靠理論推算。我們(men) 對太陽的直接觀測其實基本都是對太陽外部的大氣的觀測。

太陽內(nei) 部和大氣的分層示意圖，從(cong) “光球層”（Photosphere）開始以上是太陽大氣（圖片來源：https://physics.uoregon.edu/）

區分太陽內(nei) 部和外部的“光球層”（Photosphere），就是太陽大氣的開端。上邊的示意圖給出的就是太陽大氣溫度從(cong) 光球層開始向上的變化趨勢。光球層厚度約500公裏，從(cong) 裏向外溫度越來越低。我們(men) 肉眼看到的太陽光，也就是可見光，幾乎全部是從(cong) 光球層發出來的，所以才叫做光球。另外，正因為(wei) 光球層的輻射光譜大約對應於(yu) 5700 K（熱力學溫度，也稱開氏溫度，也就是-273.15°C的最低溫設定為(wei) 0度的溫度計量法）的黑體(ti) 輻射，所以我們(men) 才說太陽表麵溫度大約是6000 K。光球層的能量是從(cong) 其下方太陽內(nei) 部對流區傳(chuan) 輸而來，吸收之後再輻射出來，所以越往上能吸收到的能量越少，溫度也越來越低，在其頂部的溫度大約是4300 K。

太陽大氣溫度隨距離的變化以及分層示意圖（圖片來源：https://www.aanda.org/）

光球層以上，溫度到達極低之後，又會(hui) 開始上升，從(cong) 這裏開始就是“色球層”（Chromosphere）。日食時我們(men) 有時可以看到太陽周圍一圈玫瑰紅色的輝光，就是色球層的光，所以叫它色球。這種紅色是因為(wei) 光譜中Ha線（636.3nm）輻射占優(you) 勢而呈現出來的。色球層大約兩(liang) 三千公裏厚，但也有其他觀點反對，甚至有科學家認為(wei) 有2萬(wan) 公裏厚。總之色球層上邊界是一個(ge) 溫度陡增的區域。色球層的溫度大約是1萬(wan) K。

剛才說到色球層上邊界是一個(ge) 溫度陡增的區域，這裏有些人命名為(wei) 過渡區（Solar transition region）。它的範圍小於(yu) 1000公裏，但是在這裏溫度可以從(cong) 1萬(wan) K升到50萬(wan) K。很多分層方法並不把過渡區當成單獨的圈層。

1999年日食期間對太陽色球層的拍照（圖片來源：https://cseligman.com/）

經過溫度陡增之後，大約1萬(wan) 到2萬(wan) 公裏高，太陽大氣溫度就可以達到150萬(wan) K，其與(yu) 光球、色球有非常顯著的不同，所以這上方定義(yi) 為(wei) 太陽大氣的最外層，也就是“日冕”（Corona）。由於(yu) 太陽風是來自日冕的物質流，所以廣義(yi) 的日冕包括了太陽風所能達到的範圍，也就是超過150億(yi) 公裏的範圍。日冕的溫度隨高度增加較為(wei) 緩慢，幾乎是均勻的，所以才會(hui) 有學者把過渡區單獨當作圈層。

日冕中的密度已經很低了，且在這樣高的溫度之下，太陽大氣的成分是完全電離的，甚至一些元素的原子中較為(wei) 內(nei) 層的電子也電離逃逸，出現一些在地球上自然情況無法出現的離子（例如鐵原子丟(diu) 掉13個(ge) 電子形成離子）。日冕的損失能量主要來自太陽風和色球層的熱傳(chuan) 導，輻射損失不是主要的，其輻射並不強，它的亮度隻有日球層的百萬(wan) 分之一，所以也要在日食期間才適合觀測。不過，科學家們(men) 發明了日冕儀(yi) ，就能對日冕進行持續觀測。

2006年日食期間對太陽日冕的拍照（來源：https://cseligman.com/）

還有一些學者對日冕又進行了一些細分，分成內(nei) 、中、外日冕等，一般是根據日冕光譜的性質。這裏用一些專(zhuan) 業(ye) 的屬於(yu) 簡單介紹，感興(xing) 趣的朋友可以再去搜索名詞的解釋。日冕射線由3部分組成：

（1）由自由電子湯普遜散射來自光球的輻射形成的偏振的連續光譜，沒有吸收線，稱為(wei) K日冕；

（2）由黃道麵內(nei) 行星際塵埃粒子散射來自光球的輻射形成不偏振的連續光譜，其中含有夫琅和費線，稱為(wei) F日冕，又稱為(wei) “內(nei) 黃道光”；

（3）所有日冕的分立輻射線的總和，稱為(wei) E日冕或L日冕。

上邊提到的一些日冕細分例如K日冕主要來自2.3倍太陽半徑以內(nei) 、F日冕主要來自2.3倍太陽半徑以外，所以把色球層頂到2.3倍太陽半徑之間稱為(wei) 內(nei) 日冕、2.3倍太陽半徑以外稱為(wei) 外日冕。同時這也與(yu) 太陽磁場有關(guan) ，大約2.5倍太陽半徑以內(nei) 磁場有閉結構，但這個(ge) 距離以外隻有開結構。

太陽大氣還有什麽(me) 秘密？等帕克告訴我們(men)

去年8月，帕克升空，預計2025年將到達距離太陽僅(jin) 約590萬(wan) 千米的地方，開展人類曆史上第一次太陽活動的源頭采樣。現在，帕克探測器飛到了距離太陽約2400萬(wan) 公裏的近處，是人類航天器之最，而一些重要的觀測成果就在其飛越近日點時獲得的。

未來它還會(hui) 在圍繞太陽旋轉的過程中更加接近太陽，其設計的軌道如下圖的紅線所示。

另外，如果大家對帕克探測器在宇宙中的實時位置感興(xing) 趣，可以在NASA的網址（https://parkersolarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/index.php#Where-Is-PSP）進行查看。

帕克太陽探測器已經飛過（綠色）和未來的軌道（圖片來源：https://blogs.nasa.gov/）

宇宙“真空”不是真的空，在太陽和地球這些星球的周圍，其實有許多物質粒子。我們(men) 常說的太陽風，就是來自太陽的等離子體(ti) 流，其中還包含著太陽的磁場（稱為(wei) 磁凍結）；從(cong) 太陽出發到我們(men) 地球，遠到冥王星，甚至遠到上百倍日地距離（超過150億(yi) 公裏），這中間的宇宙空間，其中都充滿著太陽風等離子體(ti) （雖然密度非常低）以及太陽的磁場，而它們(men) 都來自太陽大氣的外層。

帕克探測器就是在距離太陽較近的太陽等離子體(ti) 中探測其性質，幫助我們(men) 了解更多的太陽星空体育官网入口网站。例如，這次新發表的成果中，帕克探測器的探測數據顯示，太陽附近的磁場與(yu) 我們(men) 在地球附近探測到的性質不同，非常不穩定，能在短時間內(nei) 大幅度甚至180度旋轉，這完全出乎了科學家們(men) 的預料。未來，期望帕克能為(wei) 我們(men) 解開更多太陽大氣的奧秘！


關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情