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太陽圈

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太陽圈的示意圖。

太陽圈也稱為日球,是太陽風吹入星際物質(由銀河系滲入的氫和氦)的空間中造成的氣泡。雖然來自星際空間的中性原子也可以滲入這個氣泡,但實際上在太陽圈中主要的物質都是來自太陽本身的。

在最初的一百億英里的半徑內,太陽風以每小時百萬公里的速度移動。 [1] 當他開始與星際物質碰撞時與在停止之前,他的速度已經降至次音速。太陽風的速度降為次音速之處稱為終端激波;與星際物質達到平衡之處稱為太陽層頂heliopause);星際物質,以相反的方向運動,與太陽圈碰撞使得速度降至次音速之處,會產生弓形激波

太陽風[编辑]

日冕物質拋射將物質送入太陽圈內。

太陽風中包含的微粒有來自日冕離子和由微粒攜帶的場,特別是磁場。當太陽以大約27天的週期自轉時,磁場也跟隨著太陽風纏繞成螺旋線。 太陽磁場的變化也隨著太陽風向外傳送,並且在地球自己的磁氣層內造成地磁風暴

在2005年3月,裝置在SOHO卫星上的太陽風各向異性儀(SWAN)的報告顯示,原本應該被太陽風的微粒填滿的太陽圈,藉以阻擋來自太陽系外的星際介質,在周圍的區域已經有星際介質滲入,而且可能在銀河系區域性的磁場作用下產生了變形,成為非軸對稱的形狀[2]

結構[编辑]

太陽圈電流片[编辑]

在木星軌道外的太陽圈電流片。

太陽圈電流片是轉動的太陽磁場在太陽圈內創造出來的漣漪。延伸在太陽圈中,被認為是太陽系內最大的結構,類似芭蕾舞的女舞者舞動中的裙襬。[3]

外圍的結構[编辑]

在對數尺度下向外延伸的太陽系,顯示出太陽圈、歐特雲半人馬座α

太陽圈的外圍結構取決於太陽風和星際空間風的作用。太陽風由太陽的表面向四面八方流出,在地球附近的速度大約是每秒數百公里(大約是時速一百萬英里)。在遠離太陽的某個距離上,至少超越過海王星的軌道,這股超音速的氣流必然會減速並遭遇到星際介質。在這兒有幾個階段將發生:

  • 太陽系內,太陽風以超音速的速度向外傳送。在產生终端激波時,一種停滯的震波,太陽風的速度降低至音速(大約340米/秒)之下,成為亞音速
  • 一旦低至亞音速,太陽風也許會受到周圍星際介質的流體影響,壓力導致太陽風在太陽後方形成像彗星的尾巴,稱為日鞘(heliosheath)。
  • 日鞘的外層表面,也就是太陽圈與星際介質遭遇的表面,稱為太陽層頂。這是整個太陽圈的邊緣。
  • 當太陽環繞銀河中心運轉時,太陽層頂造成星際介質的動盪。在太陽層頂之外的弓形激波,是因為往前推進的太陽層頂施加在星際介質上的壓力造成的擾動區域。

終端激波[编辑]

終端激波是太陽風因為與當地的星際介質產生交互作用而減速至亞音速的場所。太阳风通过终止激波引起密度壓縮、加熱和磁場的變化。終端激波的位置相信在距離太陽75至90天文單位之間,并被旅行者号飞船所证实。[4]終端激波到太陽的距離受到耀斑活動的影響,這是從太陽拋出的氣體和塵埃的變化。

震波是因為太陽風中的微粒速度來自於太陽,大約為400公里/秒,但音速(在星際介質內)僅有100公里/秒(正確的速度取決於密度和不可忽視的變動)。星際介質的密度雖然很低,但還是有一定的壓力存在;來自太陽風的壓力隨著距離平方的反比而減弱,一但離開太陽的距離夠遠時,來自星際介質的壓力變足以減緩太陽風的速度至音速以下時,就形成了震波

其它形式的終端激波能在地球的系統內看見,或許最容易觀察到的就是流水進入水槽中的拍打水槽底部造成的水的躍遷(Hydraulic jump)。在擊中水槽的底部時形成淺的水盤,但水的流速高於該處的波速,於是迅速的分流使水滴濺起(類似於稀薄的、超音速的太陽風)。在淺盤的周圍,形成激波前緣或水牆,在激波前緣之外,水的運動速度低於該處的波速(類似於次音速的星際介質)。

從太陽再往外,跟隨在終端震波後的是太陽層頂(Heliopause),是太陽風的微粒因星際介質而停滯不前之處,然後來自星際介質的弓形震波通過這些微粒就不再會活躍了。

在2005年5月美國地球物理聯合會的會議上,艾登·史東博士以航海家1號太空船在2004年12月,距離太陽94天文單位處磁場讀數的變化做為證據,證明它通過了終端震波。相對的,航海家2號在2006年5月,距離太陽只有76天文單位處,開始偵測到返回太陽系的微粒。這暗示了太陽層頂的外形可能是不規則的,在北半球是像外凸起的,而南半球則受到像內的擠壓。[5]

星際邊界探險號(IBEX)任務將企圖收集更多太陽系的終端震波資料。

日鞘[编辑]

日鞘是太陽圈的終端震波外面的區域,太陽風在此處因為與星際介質的交互作用,因而減速、壓縮和產生湍流。此處與太陽最接近的距離大約在80至100天文單位;然而,日鞘的形狀在空間中像彗星的彗髮,尾跡在相對於太陽運動的路徑上,會比朝向太陽運動的方向長了數倍。在它的迎風面,厚度估計在10至100天文單位之間。[6]航海家1號航海家2號目前的任務就包括對日鞘的研究。

在2005年5月,NASA宣稱航海家1號已經在2004年12月,距離太陽94天文單位,進入日鞘。稍早的報告,在2002年8月(距離85天文單位)現在已經被認為是不成熟的看法。

太陽層頂[编辑]

太陽層頂是太陽圈和太陽系外的星際介質的邊界。當太陽風接近太陽層頂,他的速度突然減緩並形成震波,太陽風的終端震波

太陽層頂是來自太陽太陽風受到星際介質阻擋而停止之處;此時太陽風的強度不足以推擠開來自周圍恆星的恆星風。他經常被認為是太陽系最外面的邊界。

假說[编辑]

根據一種假說[7],認為在太陽層頂和弓形震波之間存在著熱的氫氣,稱為氫牆。這道牆是星際介質與太陽圈邊緣互動的區域。

另外的假說則認為太陽層頂在太陽系朝銀河系內運動的方向上比較小。它也許會隨著太陽風的速度和所在之處的星際介質密度而變化;並確定是遠在海王星軌道之外。現仍在執行任務的航海家1號航海家2號太空船,仍在研究終端震波、日鞘和太陽層頂。至今,航海家1號到達了終端震波,而根據NASA的報告,航海家2號也在2006年5月23至24日之間接近了。[8]這兩個任務也被期望最後能抵達太陽層頂。與此同時,預定在2008年發射的星際邊界探險號(IBEX)任務,企圖在兩年內取得太陽層頂的影像。

當太陽散發出的微粒碰到星際介質時,它們減速並釋放出部分的能量時,許多微粒堆積和圍繞在太陽層頂的附近。它們的負加速度和高能量創造了震波。

另一種可供選擇的定義是:太陽層頂是太陽系磁場磁層頂和銀河系的電漿流交會之處。

太空船的探測[编辑]

日鞘中的旅行者1号。

精確的日鞘形狀和距離迄今仍不能決定,行星際太空船,像先驱者10号先驱者11号旅行者1号旅行者2号都朝向太陽系的邊緣前進,最終都將穿越日球層頂。

在2005年5月,航海家一號被宣佈已經在2004年12月,在85天文單位的距離上越過終端震波進入日鞘。在相對方向上的航海家二號,在2006年5月當她距離太陽只有76天文單位時,因為偵測到返回的微粒,也被認為越過了終端震波。這暗示太陽圈的形狀也許是不規則的,在太陽的北半球向外凸起,而南半球被向內擠壓。[9]

藝術家想像下,在長蛇座 R的弓形激波。

相關條目[编辑]

註解[编辑]

  1. ^ Britt, Robert Roy. A Glowing Discovery at the Forefront of Our Plunge Through Space. SPACE.com. 2000-03-15 [2006-05-24]. 
  2. ^ The Distortion of the Heliosphere: Our Interstellar Magnetic Compass - ESA news 2005.03.18
  3. ^ Mursula, K.; Hiltula, T.,. Bashful ballerina: Southward shifted heliospheric current sheet. Geophysical Research Letters. 2003, 30 (22): SSC 2–1. 
  4. ^ Nemiroff, R.; Bonnell, J. The Sun's Heliosphere & Heliopause. Astronomy Picture of the Day. 2002-06-24 [2007-05-25]. 
  5. ^ Than, Ker. Voyager II detects solar system's edge. CNN. 2006-05-24 [2007-05-25]. 
  6. ^ Brandt, Pontus. Imaging of the Heliospheric Boundary. NASA Advisory Council Workshop on Science Associated with the Lunar Exploration Architecture: White Papers (PDF). Tempe, Arizona: Lunar and Planetary Institute. 2007-02-27 to 2007-0302 [2007-05-25]. 
  7. ^ Wood, B. E.; Alexander, W. R.; Linsky, J. L. The Properties of the Local Interstellar Medium and the Interaction of the Stellar Winds of \epsilon Indi and \lambda Andromedae with the Interstellar Environment. American Astronomical Society. 2006-07-13 [2007-05-25]. 
  8. ^ Steigerwald, Bill. Voyager Enters Solar System's Final Frontier. American Astronomical Society. 2005-05-24 [2007-05-25]. 
  9. ^ Voyager II detects solar system's edge - CNN.com

參考資料與延伸讀物[编辑]

外部鏈結[编辑]