美國著名太陽物理學家尤金·帕克曾說：“如果沒有磁場，太陽將變得枯燥無味。”而太陽磁場的起源問題，一直是天文學界的未解之謎。
近日，《自然》雜志報道，由美國西北大學牽頭的國際研究團隊提出，太陽磁場形成于太陽表面下約3.2萬千米處。這一觀點與當前流行不同。流行觀點認為太陽磁場通常形成于太陽對流層深處。
太陽磁場測量難度大
盡管我們每天目睹太陽東升西落，對太陽黑子、耀斑、日冕等活動也耳熟能詳，但對天文學家而言，太陽仍是一個“最熟悉的陌生人”。
太陽內部結構復雜，科學家普遍認為，其核心是發生核聚變的日核和輻射區，外部則為對流層。對流層約占太陽半徑頂部三分之一，其范圍延伸到太陽表面以下約20萬千米，科學家推測太陽磁場可能產生于這一區域。
磁場是一種看不見、摸不著的物質，但可以通過某些具體的方式展現出來。“在磁鐵上放一塊玻璃板，玻璃板上撒些鐵粉，然后輕拍玻璃板，鐵粉便會按照一定方向有序排列，這就是具象化的磁力線。”中國科學院國家天文臺研究員張洪起介紹，太陽磁場和地球磁場物理性質基本一樣，但太陽磁場更為復雜多變。張洪起曾經長期在國家天文臺的懷柔太陽觀測基地工作。該基地是國際著名的太陽磁場觀測臺站，曾取得一系列世界一流觀測和研究成果。
“假如能把指南針放在太陽表面，那么會發現在太陽的不同區域，指南針的指向是不同的，即使是在同一區域，指南針在不同時刻所指的方向也會發生變化。”張洪起解釋，之所以會出現這樣的情況，是因為太陽磁場不斷隨時間發生演化，并向日地空間擴散開來。
然而，指南針難以放到炙熱的太陽附近。為了觀測太陽磁場，科學家只能另辟蹊徑，利用物理學中的塞曼效應進行觀測。塞曼效應是指在外磁場中，原子的發射譜線會發生分裂且偏振的現象。張洪起介紹，通過測量太陽上的光譜分裂和不同分量偏振情況，就能夠間接推演太陽表面磁場的分布狀態。
1908年，美國天文學家喬治·埃勒里·海耳首先發現太陽黑子具有強磁場。他第一次證實了宇宙中除地球磁場之外的磁場存在，也間接揭示了太陽活動源自磁場。但是，由于太陽大氣的不透明性，人們只能測量太陽表層磁場的大概分布情況，無法獲得太陽內部磁場的真實分布狀態。
帕克在1955年提出了太陽發電機理論，以解釋太陽內部磁場的起源和演化。太陽發電機理論認為，通常在太陽內部，高溫等離子體的流動受到太陽核心核聚變產生的巨大熱量影響，促進了復雜的磁場形成和演化。
“形象地說，太陽就像一個發電機，它的旋轉以及內部物質的流動，將運動能轉化為電磁能。”張洪起說，由于人們無法真正了解太陽內部，因此至今都不能完全弄清太陽磁場形成的細節。
著眼太陽表面開展研究
為探究太陽磁場的起源，科學家往往先觀測太陽表面，然后建立模型，通過計算來推測太陽內部多層次的等離子體流動情況。
《自然》雜志發表的上述研究并未嘗試模擬整個太陽內部的復雜等離子體流動，而是研究太陽表面附近等離子體流動的穩定性，以探究其是否足以解答太陽磁場起源問題。
該研究主要基于日震學數據。日震學將低緯度扭轉振動定位到太陽外圍的5%—10%，即近表剪切層。在該區域，向內增加的差異旋轉與極向磁場的耦合強烈暗示了磁旋轉的不穩定性。
隨后，研究人員運用新算法建立模型，模擬后發現，在太陽表面5%—10%的等離子體流發生的變化就足以產生磁場模式。他們進一步模擬發現，相較之下，太陽對流層深處的變化所產生的磁場與實際觀測數據不太吻合。
“過去的研究多集中在太陽對流層深處探究太陽發電機運轉，而此次研究從新的視角出發，提出了太陽磁場可能是在太陽表面下約3.2萬千米處產生的觀點。”張洪起認為，這種觀點在天文學界引起了很大爭論，但科學往往需要在爭論中向前發展。
太陽磁場之所以備受關注，是因為其引發的太陽活動在很多方面影響著人類活動。張洪起介紹，對于宇航員來說，在執行太空任務時，尤其是進入更深層次的宇宙空間時，太陽爆發活動（即太陽風暴）可能對其構成潛在的巨大威脅。其次，太陽活動還會影響地球大氣的電離層，進而對電波通信產生干擾，甚至可能導致短波通信中斷。此外，太陽活動的周期性變化與人類的生存環境、氣象氣候以及某些特殊疾病的發生都密切相關。
對太陽的探索永無止境
太陽磁場起源僅僅是太陽未解之謎中的一個，在揭開更多太陽未解之謎的道路上，人類面臨著種種艱難險阻。
在中國科學院國家天文臺研究員張承民看來，磁流體力學作為研究太陽的重要基礎，其復雜性在于磁場與電流體的交織作用。流體力學中的湍流問題尚未有完整解答，而電磁場的引入無疑為這一領域增添了更多未知數。磁場與電場之間的相互作用，以及各自的三維特性，再加上流體的壓力、流速、溫度和密度等多重因素，使得求解精確的數學方程變得異常困難。
太陽環境的復雜性不僅體現在其物理參數和磁流體力學的特性上，更在于其高度的非線性。張承民強調，這種非線性意味著微小的變化可能引發巨大的影響，正如亞馬孫森林中的蝴蝶扇動翅膀可能引發遠處的颶風一樣，這種不確定性增加了人們預測太陽活動的難度。
“由于太陽外層環境的復雜性，人們很難通過經驗來預測其變化。”張承民表示，當前人們主要通過衛星等間接手段獲取太陽的整體環境信息，近年來，雖然有人提出利用人工智能和大數據對太陽活動進行分析，但這種方法仍難以深入揭示其背后的物理原理。
要解開更多太陽之謎，天文學家不僅需要深入剖析其物理原理、建立數學模型，還需不斷探索新的研究方法和手段。正如張洪起在他的專著《太陽磁學》中所言：“100個天文學家可能有100個太陽風暴的模型。”他認為，對于無法直接探測的事物，人們自然會產生各種遐想并提出各種新方法，這些遐想和方法因人而異，但都是科學探索進步的驅動力。
美國著名太陽物理學家尤金·帕克曾說：“如果沒有磁場，太陽將變得枯燥無味。”而太陽磁場的起源問題，一直是天文學界的未解之謎。
近日，《自然》雜志報道，由美國西北大學牽頭的國際研究團隊提出，太陽磁場形成于太陽表面下約3.2萬千米處。這一觀點與當前流行不同。流行觀點認為太陽磁場通常形成于太陽對流層深處。
太陽磁場測量難度大
盡管我們每天目睹太陽東升西落，對太陽黑子、耀斑、日冕等活動也耳熟能詳，但對天文學家而言，太陽仍是一個“最熟悉的陌生人”。
太陽內部結構復雜，科學家普遍認為，其核心是發生核聚變的日核和輻射區，外部則為對流層。對流層約占太陽半徑頂部三分之一，其范圍延伸到太陽表面以下約20萬千米，科學家推測太陽磁場可能產生于這一區域。
磁場是一種看不見、摸不著的物質，但可以通過某些具體的方式展現出來。“在磁鐵上放一塊玻璃板，玻璃板上撒些鐵粉，然后輕拍玻璃板，鐵粉便會按照一定方向有序排列，這就是具象化的磁力線。”中國科學院國家天文臺研究員張洪起介紹，太陽磁場和地球磁場物理性質基本一樣，但太陽磁場更為復雜多變。張洪起曾經長期在國家天文臺的懷柔太陽觀測基地工作。該基地是國際著名的太陽磁場觀測臺站，曾取得一系列世界一流觀測和研究成果。
“假如能把指南針放在太陽表面，那么會發現在太陽的不同區域，指南針的指向是不同的，即使是在同一區域，指南針在不同時刻所指的方向也會發生變化。”張洪起解釋，之所以會出現這樣的情況，是因為太陽磁場不斷隨時間發生演化，并向日地空間擴散開來。
然而，指南針難以放到炙熱的太陽附近。為了觀測太陽磁場，科學家只能另辟蹊徑，利用物理學中的塞曼效應進行觀測。塞曼效應是指在外磁場中，原子的發射譜線會發生分裂且偏振的現象。張洪起介紹，通過測量太陽上的光譜分裂和不同分量偏振情況，就能夠間接推演太陽表面磁場的分布狀態。
1908年，美國天文學家喬治·埃勒里·海耳首先發現太陽黑子具有強磁場。他第一次證實了宇宙中除地球磁場之外的磁場存在，也間接揭示了太陽活動源自磁場。但是，由于太陽大氣的不透明性，人們只能測量太陽表層磁場的大概分布情況，無法獲得太陽內部磁場的真實分布狀態。
帕克在1955年提出了太陽發電機理論，以解釋太陽內部磁場的起源和演化。太陽發電機理論認為，通常在太陽內部，高溫等離子體的流動受到太陽核心核聚變產生的巨大熱量影響，促進了復雜的磁場形成和演化。
“形象地說，太陽就像一個發電機，它的旋轉以及內部物質的流動，將運動能轉化為電磁能。”張洪起說，由于人們無法真正了解太陽內部，因此至今都不能完全弄清太陽磁場形成的細節。
著眼太陽表面開展研究
為探究太陽磁場的起源，科學家往往先觀測太陽表面，然后建立模型，通過計算來推測太陽內部多層次的等離子體流動情況。
《自然》雜志發表的上述研究并未嘗試模擬整個太陽內部的復雜等離子體流動，而是研究太陽表面附近等離子體流動的穩定性，以探究其是否足以解答太陽磁場起源問題。
該研究主要基于日震學數據。日震學將低緯度扭轉振動定位到太陽外圍的5%—10%，即近表剪切層。在該區域，向內增加的差異旋轉與極向磁場的耦合強烈暗示了磁旋轉的不穩定性。
隨后，研究人員運用新算法建立模型，模擬后發現，在太陽表面5%—10%的等離子體流發生的變化就足以產生磁場模式。他們進一步模擬發現，相較之下，太陽對流層深處的變化所產生的磁場與實際觀測數據不太吻合。
“過去的研究多集中在太陽對流層深處探究太陽發電機運轉，而此次研究從新的視角出發，提出了太陽磁場可能是在太陽表面下約3.2萬千米處產生的觀點。”張洪起認為，這種觀點在天文學界引起了很大爭論，但科學往往需要在爭論中向前發展。
太陽磁場之所以備受關注，是因為其引發的太陽活動在很多方面影響著人類活動。張洪起介紹，對于宇航員來說，在執行太空任務時，尤其是進入更深層次的宇宙空間時，太陽爆發活動（即太陽風暴）可能對其構成潛在的巨大威脅。其次，太陽活動還會影響地球大氣的電離層，進而對電波通信產生干擾，甚至可能導致短波通信中斷。此外，太陽活動的周期性變化與人類的生存環境、氣象氣候以及某些特殊疾病的發生都密切相關。
對太陽的探索永無止境
太陽磁場起源僅僅是太陽未解之謎中的一個，在揭開更多太陽未解之謎的道路上，人類面臨著種種艱難險阻。
在中國科學院國家天文臺研究員張承民看來，磁流體力學作為研究太陽的重要基礎，其復雜性在于磁場與電流體的交織作用。流體力學中的湍流問題尚未有完整解答，而電磁場的引入無疑為這一領域增添了更多未知數。磁場與電場之間的相互作用，以及各自的三維特性，再加上流體的壓力、流速、溫度和密度等多重因素，使得求解精確的數學方程變得異常困難。
太陽環境的復雜性不僅體現在其物理參數和磁流體力學的特性上，更在于其高度的非線性。張承民強調，這種非線性意味著微小的變化可能引發巨大的影響，正如亞馬孫森林中的蝴蝶扇動翅膀可能引發遠處的颶風一樣，這種不確定性增加了人們預測太陽活動的難度。
“由于太陽外層環境的復雜性，人們很難通過經驗來預測其變化。”張承民表示，當前人們主要通過衛星等間接手段獲取太陽的整體環境信息，近年來，雖然有人提出利用人工智能和大數據對太陽活動進行分析，但這種方法仍難以深入揭示其背后的物理原理。
要解開更多太陽之謎，天文學家不僅需要深入剖析其物理原理、建立數學模型，還需不斷探索新的研究方法和手段。正如張洪起在他的專著《太陽磁學》中所言：“100個天文學家可能有100個太陽風暴的模型。”他認為，對于無法直接探測的事物，人們自然會產生各種遐想并提出各種新方法，這些遐想和方法因人而異，但都是科學探索進步的驅動力。
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