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日冕
日冕是太阳大气的最外层,从色球边缘向外延伸到几个太阳半径处,甚至更远。分内冕、中冕和外冕,内冕只延伸到离太阳表面约1.3倍太阳半径处;外冕则可达到几个太阳半径,甚至更远。日冕由很稀薄的完全电离的等离子体组成,其中主要是质子、高度电离的离子和高速的自由电子。日冕温度是太阳表面温度的数百倍。
日冕温度有万摄氏度,粒子数密度为/m3。在高温下,氢、氦等原子已经被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。这些带电粒子运动速度极快,以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚,射向太阳的外围。形成太阳风。日冕发出的光比色球层的还要弱。
进入日冕
年4月28日,美国宇航局的帕克太阳探测器到达太阳延伸的太阳大气层,即日冕,并在那里停留了五个小时。航天器是第一个进入我们太阳外边界的。
该探测器首次对太阳大气层内的物质进行了直接观测,测量了以前只能靠估计的情况和物质组成。太阳的外边缘开始于阿尔文临界面:在该点下方,太阳及其引力和磁力直接控制太阳风。许多科学家认为,太阳磁场的突然逆转,称为折返,是从这个区域出现。
年,美国宇航局发射了帕克太阳探测器,目标是最终到达日冕并让人类首次造访恒星。
今年4月,探测器在阿尔文临界表面以下与太阳等离子体直接接触的地方停留了五个小时。在那个表面之下,太阳磁场的压力和能量强于粒子的压力和能量。在相遇期间,航天器在地表上方和下方分别经过了三次。这是航天器首次进入日冕并接触太阳大气层。
令人惊讶的是,研究人员发现阿尔文临界表面有波纹。数据表明,表面上最大和最远的波纹是由伪流产生的——一种巨大的磁结构,直径超过40度,位于太阳最里面可见的表面。目前尚不清楚为什么伪流会将阿尔文临界表面推离太阳。
与地球不同,太阳没有固体表面,但它却有通过重力和磁力产生的炽热的大气层。太阳的“阿尔文临界面”是太阳大气层终结和太阳风开始的位置。太阳风具有的能量会拖曳太阳的磁场,使其穿过太阳系到达地球以及更远的地方。
但是,直到现在研究人员还不能十分准确地确定阿尔文临界的具体位置。航天器处于20个太阳半径左右的螺旋轨道,根据日冕的远程图像,初步估计阿尔文临界面距离太阳表面10到20个太阳半径—约到万英里。
帕克太阳探测器
美国宇航局年5月31日在芝加哥大学威廉埃克哈特研究中心宣布,于年夏天发射一个高约3米、身穿12厘米厚碳复合保护罩的太阳探测器。不同于历史上的任何航天器,它将直接飞入太阳外层大气层日冕所在轨道上,距离太阳表面仅万公里,探索和观测太阳外部,了解太阳风。这将是人类探测器首次如此近距离接触太阳。
年3月28日,美国马里兰州Greenbelt举行帕克太阳探测器的媒体预展,探测器在被运往NASA肯尼迪航天中心之前进行最后的测试。这颗新型太阳探测器计划已于年8月12日发射,这将是一个历史性的任务,是人类探测器有史以来首次进入太阳的大气层(或日冕),比以往任何一个航天器都更接近太阳。
年8月11日凌晨3时33分在佛罗里达州卡纳维拉尔角用德尔塔IV型重型火箭发射“帕克太阳探测器”,以执行首次探日任务。不料,发射进入倒计时后,技术故障致使计划推迟。距离发射只剩1分55秒时,火箭制造商联合发射联盟公司说,解决氦气压力问题后,12日将再次尝试发射。
年8月12日,有史以来飞得最快的航天器美国“帕克”太阳探测器升空,正式开启人类历史上首次穿越日冕“触摸”太阳的逐日之旅,这也将成为迄今最“热”的太空探测任务。
年9月1日下午1时50分,美国国家航空航天局(NASA)“帕克号”太阳探测器第三次飞过轨道近日点。
美国东部时间年1月29日4时37分(北京时间29日17时37分),“帕克”太阳探测器完成了第四次近日飞行。它最近距离太阳约万千米,飞行速度超过每小时39.3万千米,再次创造人类航天器最快飞行速度。在之前的三次近日飞行中,“帕克”距离太阳约万千米。
年4月,“帕克”太阳探测器成功穿过太阳大气的最外层(日冕),成为首个“接触”太阳的航天器。“帕克”第一次穿过日冕只持续了几个小时,但它将继续盘旋靠近太阳。该航天器的下一次太阳飞越计划将于年1月进行。
引力弹弓下的最快航天器
年10月初,其首次飞掠金星,完成第一次“引力弹弓”,之后三次以几乎相同高度(大约万公里)飞过近日点。按计划,其将在年12月再次实施“引力弹弓”,四度掠日时的轨道高度相比前三次大约降低万公里。据悉,“帕克号”最后一次掠日的轨道高度仅为万公里左右。
在最近一次近距离飞掠金星的引力助推下,美国宇航局的帕克太阳探测器将于11月21日第10次接近太阳,飞行距离太阳将比以往任何探测器都要近,距离太阳表面仅万公里,相比水星距离太阳最近时的4万公里要近的多。在抵近太阳时,帕克太阳探测器最高时速将达到58.68万公里,秒速千米/秒,达到0.%光速。
在后续年8月和年11月的两次飞掠金星的协助下,帕克太阳探测器最终将于年12月到达距离太阳表面万公里的范围内,届时的速度高达69万千米/小时,达到光速的0.%。
“地月距离近地点36.33万公里,远地点40.55万公里,平均距离38.44万公里。所以“帕克”太阳探测器的速度一个小时可以往返地月一次!
极限隔热
日冕温度高达百万度,为何“帕克”没事?
温度只是衡量微观粒子运动速率快慢的标量,粒子运动越快,温度则越高,但温度不能表征物质的分布密度状况。在相同体积的空间内,只要粒子的平均运动速度相同,无论数量多还是少,对外表现的温度值都是一样的,但是这些粒子所具有的热能总和则不一样,粒子密度越大,则热能就会越高。
比如,我们可以在温度60摄氏度的汗蒸房里待上十几分钟,但在60摄氏度的热水池中很难挺得住。再比如,我们的手可以很容易穿过高达几百上千摄氏度的火焰,但如果接触这么高温度的液体,必然会被严重烫伤。原因就在于空气中的粒子密度,要远远小于液体,相同条件下蕴含的热量就有很大的差异。
帕克太阳探测器所处的宇宙环境,其中的粒子密度是很低的,即使接近日冕层,粒子密度也才达到每立方米10^15个,这个数值仅为近地面空气密度的亿分之一。虽然粒子运动速度很快,温度很高,但是蕴含的总热量并没有想象的那样大,单位时间传递给帕克探测器的热量是比较少的,只要能快速有效地移除热量,帕克太阳探测器就会没事。
虽然帕克探测器接近太阳时,单位体积的空间内所接收到的热量比我们预想的要小很多,但是也必须在探测器结构和材料原则上有所考虑,才能确保万无一失。
第一是高质量的隔热罩。探测器表面覆盖一层厚度近12厘米、由碳复合材料制成的隔热罩,在穿越日冕层时,可以将外界热量有效隔绝开来,内部的温度甚至能降到30摄氏度左右。
第二是高效的合金材料。除了探测器主体以外,探测器表面还设置有必须暴露在环境中的仪器设备,比如太阳能板、测量带电粒子速度和通量的传感器、测量太阳能强度的法拉第杯等。这些设备都由特殊的材料制成,拿法拉第杯来说,本身由钛锆钼合金组成,能抵抗摄氏度的高温,外围的栅格由钨制成,更能抵抗多度的高温环境。
第三是特殊的线路材质。为了保障探测器内部设备的正常运行,作为保障电力传输的载体,电线的材料选择采用金属铌,熔点高达多摄氏度。另外,托举电线的支撑材料,则选择用蓝宝石材料,从而避免线路发生熔化危险。
“帕克太阳探测器”由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计建造。探测器发射重量公斤,设有由碳复合材料制成的厚达11.4厘米的防热罩,可让探测器主体(太阳能帆板和少数科学传感器除外)在接近摄氏度的外部环境下把温度保持在略高于室温。探测器上设有自主控制软件,用于保证温度敏感组件不过热,将利用温度传感器的数据来判断探测器该采取的指向。探测器温控系统内的铂电阻温度计曾在转往发射场前的测试中暴露出故障率过高等问题,为此新增了冗余配置。
探测器上携带的观测仪器包括1.太阳风电子、阿尔法粒子与质子调查”(SWEAP),用于太阳风内电子、质子和氦离子的计数和特性测定。2.“太阳风宽视场成像仪”(WISPR),用于对太阳日冕、太阳风和探测器周围激波进行三维成像。3.“电磁场调查”(FIELDS),将对穿越太阳大气等离子体的电场和磁场、无线电辐射及激波进行直接测量,并充当一个巨型宇宙尘埃探测器。4.“太阳综合科学调查-高能粒子仪器”(ISIS-EPI),由两台仪器组成,将监测太阳大气中被加速到高能状态的电子、质子和离子。5.“太阳探测器+日球层起源”(HeliOSSP)。
此外探测器上还携带了存有.7万个人名的内存卡。
梵观点:宇宙武功唯快不破!