解决关于太阳的长期谜题：储存的磁能如何加热太阳大气

IRIS任务捕获的太阳图像显示了如何向低层等离子体回路供电的新细节，也可能揭示出如何产生热电晕。

首先在太阳风中发现的现象可能有助于解决长期以来关于太阳的奥秘：为什么太阳大气比表面温度高数百万度。

来自地球轨道界面区域成像光谱仪（也称为IRIS）和大气成像组件（也称为AIA）的图像显示出证据，表明位于低处的磁环被加热到数百万开氏温度。

赖斯大学，科罗拉多大学博尔德分校和美国宇航局马歇尔太空飞行中心的研究人员证明，硅等重离子优先在太阳风和太阳色球与日冕之间的过渡区域中被加热。

在那里，磁化的等离子体环不断地成弧形，这与上方电晕中的它们的表亲不同。它们体积更小且难以分析，但长期以来人们一直认为它们具有磁性驱动机制，该机制以纳米喇叭形的形式释放能量。

赖斯太阳物理学家斯蒂芬·布拉德肖（Stephen Bradshaw）和他的同事被怀疑的人很多，但是在IRIS之前没有足够的证据。

高飞行光谱仪是专门为观察过渡区域而建造的。在《自然天文学》上发表的由美国国家航空航天局（NASA）资助的研究中，研究人员描述了重新连接回路中的“亮化”现象，这些回路包含强大的氧气光谱特征，尤其是较重的硅离子。

布拉德肖（Bradshaw）的团队是他的前学生，主要作者Shah Mohammad Bahauddin（现为科罗拉多州大气与空间物理实验室的研究人员），美国宇航局天体物理学家Amy Winebarger研究了IRIS图像，该图像能够解析这些过渡区域环的细节并检测口袋里的超热等离子体。这些图像使他们能够通过它们发出的光来分析环中离子的运动和温度，这些光被读作光谱线，用作化学“指纹”。

由IRIS任务捕获并由莱斯大学太阳物理学家Stephen Bradshaw和他的同事进行分析的太阳图像显示了如何为低层等离子体回路加电的新细节，并且还可能揭示了如何产生热电晕。

物理学与天文学副教授布拉德肖说：“在所有的物理学都被烙印在发射线上。”“这个想法是要了解这些微小结构是如何被加热的，并希望对电晕本身是如何被加热说些什么。这可能是遍及整个太阳大气层的普遍机制。”

图像显示了热点光谱，在这些光谱中，线因热效应和多普勒效应而变宽，不仅表明了纳米耀斑中涉及的元素，而且还表明了它们的温度和速度。

在热点处，他们发现重新连接的含硅离子射流以每秒100公里的速度向观察者（IRIS）移动（蓝移）并远离（红移）观察者。对于较轻的氧离子未检测到多普勒频移。

研究人员研究了该机制的两个组成部分：能量如何从磁场中分离出来，然后如何实际加热等离子体。

布拉德肖说，过渡区域仅约10,000华氏度，但太阳表面上的对流会影响回路，扭曲和编织构成回路的细磁链，并向最终加热等离子体的磁场增加能量。他说：“ IRIS的观察表明这一过程正在发生，我们有理由肯定，至少第一部分的答案是通过磁重新连接，而射流是关键信号。”

由IRIS任务捕获并由科罗拉多大学博尔德分校的Shah Mohammad Bahauddin和他的同事进行分析的太阳图像显示了如何向低层等离子体回路供电的新细节，并且还可能揭示了如何产生热电晕。

在此过程中，等离子束的磁场破裂并在编织位置重新连接成较低的能量状态，从而释放存储的磁能。在发生这种情况的地方，等离子体变得过热。

但是到目前为止，如何通过释放的磁能加热等离子体仍然是一个难题。他说：“我们观察了这些小回路结构中重新连接发生的区域，并测量了离子（主要是硅和氧）的发射线。”“我们发现硅离子的光谱线比氧气要宽得多。”

这表明优先加热硅离子。“我们需要解释一下，”布拉德肖说。“我们经过一番思考和思考，结果发现存在一个称为离子回旋加速器加热的动力学过程，该过程比轻质的离子更喜欢加热重离子。”

他说离子回旋波是在重新连接的地方产生的。重离子所携带的波更容易受到不稳定的影响，这种不稳定会导致这些波“破裂”并产生湍流，从而使离子散射并激发能量。这加宽了它们的光谱线，超出了仅从等离子体的局部温度所预期的范围。对于较轻的离子，可能没有足够的能量留给它们加热。他说：“否则，它们不会超过引发不稳定性所需的临界速度，这对于较轻的离子而言更快。”

布拉德肖说：“在太阳风中，重离子比轻离子要热得多。”“这已经确定了。我们的研究首次表明，这也是过渡区的一个属性，由于我们已确定的机理，包括加热太阳日冕，因此它可能会在整个大气中持续存在，特别是因为太阳风是太阳辐射的一种表现。日冕扩展到行星际空间。”

巴奥丁说，下一个问题是，这种现象是否在整个太阳上都以相同的速度发生。他说：“最有可能的答案是不。”“那么问题是，它们对日冕加热问题有多大贡献？他们是否可以向高层大气提供足够的能量，以便维持数百万度的电晕？

Bahauddin说：“我们为过渡地区展示的是解决这一难题的重要方法，但是大局需要更多的方案落在正确的地方。”“我相信IRIS将能够在不久的将来向我们介绍有关色球的碎片。这将有助于我们建立一个统一的全球大气层理论。”

参考：Shah Mohammad Bahauddin，Stephen J.Bradshaw和Amy R.Winebarger的“重新连接介导的瞬态增亮在太阳过渡区的起源”，2020年12月7日，自然天文学。DOI：
10.1038 / s41550-020-01263-2