借2017年美国日全食的机会研究太阳大气层

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借2017年美国日全食的机会研究太阳大气层

        每隔大约18个月，地球上某处就能观测到一次日全食。但由于地球表面大部分是海洋，绝大多数日全食只有在极短的时间内能够从陆地上观测到，有些甚至完全无法从陆地观测。而2017年8月21日的这场日全食却不同——它的日食带横跨北美大陆，陆上可观测时间接近90分钟，这使得科学家有了一次史无前例的从地面进行科学测量的机会。

        在8月21日，当月球移动到太阳前面时，它会完全遮挡住整个太阳。这会发生纯属偶然——尽管太阳直径比月球直径宽将近400倍，但日全食时月球也会比太阳距我们近400倍，这就使得从地球上看上去太阳和月球有着差不多的视大小。事实上，这次月球看上去会比太阳还要大一些，导致在某些地点观看时食甚过程达到两分半钟。如果它们看上去正好一样大的话，食甚过程会一闪而过。

        日食会允许我们看到太阳大气的最外层，日冕层，平时因其太暗淡而无法看到。尽管科学家能够从太空中使用一种叫做日冕仪的仪器——通过金属原盘遮挡太阳发光面来制造“人造日食”——对日冕层进行研究，但太阳大气中有些更内部的区域还是只有在日全食时才能观测到。由于一种叫衍射的光学现象，日冕仪使用的金属原盘必须在遮挡太阳发光面的同时，对日冕层的很大一部分也进行遮挡，这样才能得到清晰的图像。而由于月球距离地球相当远——本次日全食期间大约为37万千米——衍射的影响就微乎其微，科学家也就能很好地对更内部的日冕层进行研究。

        NASA在这次日全食期间资助了11项遍布美国的地面科研项目，其中有6个是专注日冕层研究的。

太空天气的来源

        我们的太阳是一颗活跃的恒星，其总是在不间断地释放出一股带电粒子流，这被称作太阳风。和日冕物质抛射一起，太阳风会影响地球的磁场，使粒子像下雨般倾泻进地球大气层，并且极端时会对卫星造成影响。尽管我们能在这些喷射物质离开太阳时对它们进行跟踪，但如果想预测它们什么时候会喷射，关键可能就在于研究内日冕层中储存的磁能，也就是这些喷射物质的来源。

        来自科罗拉多州的高海拔天文台(High Altitude Observatory)的菲利普·贾治和他领导的团队将使用新的仪器，通过在全食期间绘制日冕层的图像，来研究日冕层的磁场结构。这些新的仪器位于怀俄明州卡斯珀(Casper)市旁的一个山顶，它们绘制出日冕层的图像，科学家借此来在可见光和近红外波段寻找由磁场留下的痕迹。其中一个仪器，POLARCAM，借助基于虾蛄的眼睛而研发的新技术来获得新的偏振测量数据。并且本次任务会作为该仪器应用于未来太空任务前的概念验证。这项研究会增进人们对太阳是如何产生太空天气的认识。

        “我们想将我们即将收集到的红外波长的数据与NASA太阳动力学天文台和JAXA/NASA的日出卫星记录过的紫外波长的数据做一个比较，”贾治说，“这个结果将会肯定或否定我们对于日冕层中各个波长的光是如何产生的的认识，或许这能帮助化解一些相关领域矛盾。“

        贾治团队收集到的数据将与另两组数据互补，一组来自利用飞机从空中对日冕层进行红外波段绘图的研究，另一组来自由高海拔天文台的保罗·布莱恩斯领导的地基红外波段研究。布莱恩斯和他的团队将会在卡斯珀山顶利用光谱仪进行测量——收集从太阳来的光并分离每个波长的光，测量它们各自的强度。这台光谱仪，名为NCAR空中干涉仪，将会第一次应用于测量从太阳日冕层发出的红外光。

        “这些研究都是互补的。我们将收集到光谱方面的信息，揭示光的波长组成，”布莱恩斯说，“而菲利普·贾治的团队则会收集到空间方面的信息，告诉我们哪些特征从哪来。”

        这些新的数据将会帮助科学家表征日冕层复杂的磁场结构——理解和最终能够预告太空天气事件的关键信息。科学家也将会扩大他们的研究，通过对比分析他们得到的结果和NASA太阳动力学天文台与JAXA/NASA日出卫星的相关观测数据。

        在俄勒冈州的马德拉斯，由马里兰州戈达德航空中心的奈特·戈帕尔斯瓦米(Nat Gopalswamy)带领的团队将会把一台专门的偏光照相机指向日冕层，在4个预选好的波长分别拍摄一些几秒长的曝光照片，整个过程都在仅仅两分多钟的食甚阶段完成。他们拍摄的图片将会捕捉到日冕层中太阳物质的温度和速度信息。目前，这样的测量数据只能在日全食期间通过地面观测获得。

        而想要在非日全食期间研究日冕，科学家则使用日冕仪。典型的日冕仪使用一个能转过三个不同角度的偏振滤镜，每个角度对应一个不同的波长。而奈特使用的新照相机则被设计成能够免去这一笨拙，耗时的过程。这台照相机包含数千个极小的偏振滤镜来同时读取不同偏振方向的光。测试这一新式照相机不仅对于改进现有的日冕仪来说至关重要，更是帮助我们理解充斥着我们周围太空的太阳辐射的来源——日冕层，的关键一步。

目前无法解释的高温

        在内日冕层中还包含着另一个问题的答案。科学家认为内日冕层能够解释一个长久以来的问题：太阳大气层是如何达到如此意料之外的高温的。日冕层比太阳表面要热很多，这有点违背直觉，因为太阳的能源都来自于其核心的聚变反应。通常随着距离热源越来越远，温度应该降低，但在太阳大气层中事实却并非如此。科学家们认为对于内日冕层中粒子运动轨迹的细致测量可以揭开这异常热量背后的机制。

        太空科学研究所的帕德马·亚纳曼德拉-费舍也将会领导一次在偏振光下对内日冕层进行拍摄的实验。偏振光是振动面只限于某一方向的光。当一束普通的光通过一个具有偏振效果的介质时就会产生偏振光——在这儿，这个介质就是内日冕层中的电子。

        “通过测量内日冕层中偏振光的亮度并利用数字模型，我们就能提取出视线方向中电子的个数，”帕德马说。“总的来说，我们就是在对内日冕层中自由电子的分布进行绘图。”

        从偏振光角度绘制内日冕层地图以揭示电子密度对日冕层中波的建模来说是一个关键因素，而日冕层中的波就是日冕层加热的一个可能原因。与NASA资助的公民科学项目，Citizen CATE（在全美范围由民众拍摄日全食图像），收集到的非偏振光图像一起，这些偏振光测量结果可以帮助科学家解释日冕层不寻常的高温。

        来自夏威夷大学天文研究所的沙迪亚·哈巴尔将会带领一队科学家拍摄全食过程中的太阳。团队将在相隔1000千米的横跨四个州的五个不同地点对太阳进行拍摄，这将使团队能够记录日冕层短期的变化，同时也能提高他们遇到好天气成功进行观测的机会。

        他们将使用光谱仪，分析日冕层中不同电离元素发出的光。科学家还会使用不同的滤镜来选择性地拍摄不同颜色的日冕层图像，这将允许科学家直接研究日冕层的物理性质。

        有了这些数据，他们能够探索日冕层的组成和温度，并且测量从太阳流出的粒子的速度。不同的颜色对应着不同的元素的电离态——镍，铁，氩等，并且每一个不同的元素都有自己特定的电离温度。通过将这些数据放在一起分析，科学家希望能更好地理解日冕层加热的过程。

        科罗拉多州博尔德的西南研究所的阿米尔·卡斯皮和他的团队将使用NASA的两架WB-57F飞机，并通过安装在机头位置的望远镜进行观测。他们将捕捉到现今最清晰的日冕层图像和第一张水星的热力图，揭示水星表面的温度分布。

作者：NASA

翻译：陆寅枫

校译排版：陈艳玲

责任编辑：解仁江

--via NASA

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