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什么是太阳风，它是如何影响太阳系的?

当我们想到太阳时，我们通常会把它想象成一个在数千华氏度下燃烧的发光球体，并把光投射到围绕它运行的太阳系其他部分。但由于太阳风的作用，它甚至比这还要活跃得多。

乍一看，太阳风的概念可能不是直观的，但它是我们的太阳最迷人的特征之一。但它是什么，它对地球上的我们意味着什么?

幸运的是，太阳风在地球上不会伤害我们(至少不会直接伤害)，但它是世界上最著名的自然现象之一的原因，所以你可能比你意识到的更熟悉太阳风。

目录

• 什么是太阳风?
• 太阳风是真正的风吗?
• 太阳风是由什么构成的?
• 太阳风的影响是什么?
• 是什么保护地球不受太阳风的影响?
• 那么当太阳风撞击地球时会发生什么呢?
• 谁发现了太阳风?
• 太阳耀斑和太阳风有什么区别?

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什么是太阳风?

太阳风是不断从太阳向外流动的带电粒子流。

它是由太阳表面等离子体向外膨胀产生的，等离子体是由太阳内部发生的核聚变反应的极端高温引起的。

这些热量产生了巨大的外部压力，这些压力抵消了太阳引力向内的拉力。膨胀的等离子体和收缩力之间的平衡产生了太阳的大气层，即日冕。

当来自下面的热量和压力比重力更强大时，日冕中的带电等离子体能够沿着太阳磁场的线逃逸到太空中，太阳风就产生了。

这一过程沿着太阳的表面发生，由于太阳自转，这就产生了将其磁场线缠绕在两极上方的效果。由于从太阳逃逸出来的带电粒子沿着这些磁力线运动，它们以恒定的流的形式沿着螺旋进入太空。

太阳风是真正的风吗?

太阳风是由带电粒子组成的，所以它并不是我们地球上的风的完美模拟，但它们有一些非常惊人的相似之处。

虽然太阳风不断产生，但它的强度却不是恒定的，就像地球上的风一样。

在11年太阳周期的间歇期，像日冕洞和太阳黑子这样的复杂结构不太频繁，太阳风可以被比作微风。在太阳更加活跃的时期，太阳风呈现出更加复杂的特征。

虽然这些可以被认为是地球气候季节性变化的类似物——比如飓风季节或高纬度地区下雪的冬天——但由于风本身携带的粒子，这种比较有点复杂。

与地球上的风更直接的类比是太阳风通常是如何从太阳的极地上空流过的，其速度几乎是赤道附近的两倍。

不同太阳纬度上太阳风速度的差异产生了高密度和低密度区域，高速风与低速风相互作用，形成了所谓的协同作用区域。

这些区域的密度更高，磁场也更强。如果我们继续进行类比，这些相互作用区域就类似于地球上的风暴锋面。

太空天气可不是白叫的。

太阳风是由什么构成的?

一张日全食期间日冕的白光图像|来源:M. Druckmüller/NASA

太阳主要由氢气构成，但也有许多其他元素通过核聚变过程产生，它们都构成了太阳风。

绝大多数太阳风是由电离的氢(单个的质子和电子)构成的，其次是不到10%的电离氦。

氦是太阳核反应的主要副产品，因为在太阳生命的这一阶段氢元素丰富，但氦并不是无所事事的。

至少可以说，发生在太阳核心的反应是复杂的，但氢和氦与其他粒子发生聚变，产生锂、铍、碳、氧、氮、硅和其他重元素，直到并包括铁。

所有这些元素都可以在太阳风中找到，尽管较重的元素只占其整体组成的很小一部分。

不过，你唯一找不到的就是许多原子的电子数和质子数相等。

太阳的温度会将电子从原子核中剥离出来，产生带电的等离子体和大量自由电子，这些电子一旦被辐射到太阳的内层，进入太阳的日冕，就会被拉向相反的磁力线。因此，尽管太阳风是电平衡的，但它几乎完全由带电粒子组成。

太阳风远离太阳的磁力线通常在太阳风进入太阳系时保持电子和电离粒子的分离。

太阳风的影响是什么?

太阳风是一股高度带电的粒子流，以每秒数百英里的速度行进。即使我们只讨论电子和主要是氢的单个带电离子，你也不会认为太阳风会有这么大的影响。

你需要记住，我们讨论的是很多带电粒子从太阳上喷出。如果你曾经看到过日全食，当它产生的明亮的火环变得可见时，你看到的是太阳的日冕。

在逐渐转化为太阳风之前，这些火焰般的手指可以延伸数百万英里。

如果我们在地球上被一股太阳风击中，在这个距离上，这种影响几乎不会引起注意(除了一些我们稍后会讲到的细节)。但问题是，太阳系中没有任何东西会被单一的粒子爆炸击中，我们被一股质子和电子喷涌而出，这些粒子会与原子相互作用。

随着时间的推移，这些互动可能是毁灭性的。人们认为，火星在30亿年前曾经有一种非常类似地球的大气层，但如今这种大气层已经所剩无几。

目前的共识是，稳定的带电粒子流有效地将火星大气喷向太空。由于缺乏保护大气，火星原始的湖泊和海洋可能会蒸发，留下一个贫瘠、没有生命的世界。

太阳系中的一切都受到太阳风的影响，尽管有些东西——比如地球——比其他东西更好。

是什么保护地球不受太阳风的影响?

幸运的是，地球有一个固体的内核和液体的外核，两者都主要由铁构成。这就像发电机一样在地球周围产生强大的磁场。

由于太阳风是由带电粒子组成的，它与磁场的相互作用非常强烈，并沿着地球周围的磁力线移动，而不是对着地球进行不间断的轰击。

如果没有强大的磁场，地球可能会看起来和今天的火星很像，在地球变得不适合生命居住之前，地球上的生命很可能不会进化过最基本的古菌和单细胞生物。

那么当太阳风撞击地球时会发生什么呢?

虽然地球的磁场足够强，可以使大部分太阳风偏转，但其中一些太阳风仍然能够在粒子所在的磁力线穿过地球磁极的地方通过。

这些粒子与大气相互作用，产生了一场壮观的光秀，我们称之为极光。极光通常局限在北极和南极周围的极北纬和极南纬，当太阳风比平时更强时——比如在太阳活动周期的特别活跃时期——这些极光可以在低纬度地区看到。

现在，这些都不意味着太阳风近年来对我们来说不是问题。在电气化普及和电子技术发明之前，我们与太阳风的关系仅仅局限于极光的存在。然而，一旦我们开始使用电力为我们的现代世界提供更多的能量，太阳风就成了一个大问题。

由于太阳风被定义为携带强大的电磁电荷，它可以严重破坏电力基础设施，烧毁电子设备，如近地轨道上的卫星。

即使太阳风没有彻底摧毁什么东西，它仍然会对我们的环境产生不可预测的影响，我们才刚刚开始了解这一点。SpaceX在部署后不久失去了40颗全新的星链卫星，当时强大的太阳风与地球大气层发生了相互作用，导致它向外扩张。

这造成了卫星所经历的大气阻力的意外和急剧增加，使它们无法爬升到计划的轨道高度。结果，尽管太阳风没有对卫星本身造成任何直接损害，但卫星不得不被遗弃，在大气层中燃烧。

谁发现了太阳风?

考虑到两种最引人注目的天文现象——极光和日全食——都与太阳风密切相关，在1957年美国物理学家尤金·帕克(Eugene Parker)之前，没有人把它们联系起来，这有点令人惊讶。

帕克提出了聚变、电磁和高电荷太阳等离子体之间复杂的相互作用，他把这个结果称为“太阳风”。当帕克将这一想法提交给《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)时，审稿人非常严厉。然而，该杂志的编辑、著名天体物理学家Subrahmanyan Chandrasekhar没有发现帕克的数学有任何问题，所以他否决了审稿人的意见，发表了这篇论文。

仅仅三年后，美国宇航局的水手2号探测器在前往金星的旅途中所测得的读数证明帕克是正确的，他的理论很快成为科学界的共识。

一旦人类开始将卫星送入轨道，我们就能够确认更多有关太阳风本身的细节。

“他的许多开创性工作已经被后来的航天器证明，定义了我们对太阳-地球系统如何相互作用的大量了解，”美国宇航局写道。

“半个多世纪后，帕克太阳探测器任务现在提供了对帕克开创性理论和想法的关键观察，这些理论和想法让一代科学家了解了太阳物理学和恒星周围的磁场。”

太阳耀斑和太阳风有什么区别?

太阳耀斑和太阳风听起来很相似，但它们之间有一些非常关键的区别，因为它们是非常不同的现象。

首先，太阳耀斑是太阳大气中电磁辐射的突然局部爆发;它们不是粒子的喷发。

第二，它们的产生过程与太阳风不同。关于这个问题仍有争议，但人们普遍认为，当带电粒子以接近光速加速并与太阳等离子体相互作用时，太阳耀斑就会发生在太阳大气中高度磁活跃的区域。

一个可能的原因可能是所谓的磁重联，这是一个物理过程，强磁场线相互作用并重新排列自己。它将磁能转化为动能和热能，从而使带电粒子(如电子)突然加速。

有一种理论解释了这种现象是如何发生在太阳上的:太阳拱廊，一组紧密的日冕环，沿着磁力线形成，然后在磁场上与另一个拱廊重新连接，形成一个突然在磁场上断开的螺旋。

这种断开会在电磁波谱上释放出巨大的能量，我们称之为太阳耀斑。

大多数人将太阳耀斑与太阳风联系在一起的原因是我们有时可以在太阳耀斑之后看到。这种能量在日冕中的爆发有时会导致日冕物质抛射，即带电等离子体突然从日冕中喷发到太阳风中。

在我们的空间天气类比系统中，日冕物质抛射与太阳风的关系就像飓风与沙滩上愉快的一天一样。我们对太空天气破坏卫星、破坏电网、甚至破坏互联网的大多数担忧实际上只是与日冕物质抛射有关。

等离子体的数量,可以喷射到太空的日冕物质抛射数量级大于一个活跃的太阳风的事件,如果地球被受到大的日冕物质抛射的今天,它将压倒地球磁场和直接与高度带电粒子轰击地球。

需要明确的是，除了使用心脏起搏器或类似的医疗设备外，这不会对地面生命产生太大影响。

几乎没有人会注意到有什么不同——除了可能会惊奇地盯着厄瓜多尔上空，因为天空突然充满了极光。

事实上，科学家们认为，在过去的45亿年里，地球已经无数次被这种日冕物质抛射击中，而我们仍然在这里。

尽管如此，我们生活在现代世界，考虑到它们的频率和简单的概率，我们将在未来的某个时间点受到另一次大规模日冕物质抛射的袭击——可能比我们大多数人意识到的要早。

我们绝对应该为这种不可避免的情况做好准备，其中一个重要部分就是研究空间天气以及太阳风在塑造我们生活的太阳系中所扮演的角色。

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