太陽上的“終結者”引發等離子體海嘯,并將開始新的太陽周期!

在發表在《科學報告》和《太陽物理學》兩項新研究中,科學家們描繪了一幅太陽周期如何突然死亡的圖景,這可能導致等離子體的海嘯穿過太陽內部,并在短短幾周后引發下一個太陽黑子周期的誕生。這些新發現讓我們對太陽黑子周期的神秘時間(11年)有了更深入了解。太陽黑子周期特征是太陽表面太陽黑子活動的增減。雖然科學家們早就知道這些周期會持續大約11年,但要準確預測一個周期何時結束、下一個周期何時開始一直是個挑戰。

太陽等離子體

新的研究可能會改變這一狀況,在其中一項研究中,科學家們能夠確定清楚標志著太陽黑子周期結束的“終結者”事件。這項研究依賴于近140年來從地面和太空觀測到的太陽活動。了解了這些終止器的運行情況后,科學家預測當前的太陽周期(太陽周期24)將在2020年上半年結束,不久之后新的太陽周期25就會開始。在第一項研究的推動下,科學家們進行了第二項研究,利用一個復雜的計算機模型,探索了終結者事件如何觸發一個新太陽黑子周期開始的機制。

模擬結果表明“太陽海嘯”可以提供這種聯系,并解釋太陽從一個周期到下一個周期的驚人快速轉變。這兩項研究都是由美國國家大氣研究中心(NCAR)領導。國家大氣研究中心的科學家斯科特·麥金托什(Scott McIntosh)說:在過去一個多世紀觀測記錄中一直隱藏著終結者存在的證據,但直到現在,還不知道自己在尋找什么,通過將這么多年來的各種觀測結果結合起來,現在我們能夠把這些事件拼湊起來,從而對太陽內部如何驅動太陽周期提供一個全新的視角。

閃爍的光揭示了奧秘

太陽黑子周期是在太陽活動極小期(太陽表面平靜的時期)之后產生。隨著太陽活動周期的繼續,越來越多的太陽黑子出現了,它們首先出現在南北半球約35度的緯度上,并在10多年后緩慢地向赤道移動,然后再次消失,進入下一個太陽活動極小期。這一過程大致中點是太陽活動的最大值,此時太陽黑子最為豐富。預測太陽黑子演化的時間是一個主要科學目標,部分原因是太陽黑子的活動與太陽風暴有關,太陽風暴會破壞地球的上層大氣,影響GPS信號、電網和其他關鍵技術,但事實證明,這樣的預測頗具挑戰性。

例如,太陽目前處于太陽活動極小期,科學家們知道相對的平靜意味著當前太陽活動周期即將結束,但很難說新的周期將在幾個月后還是幾年后開始。研究可以提供更清晰的信息,包括周期時間以及周期本身的驅動因素。研究人員首先研究日冕亮點的運動——太陽大氣中極紫外光的短暫閃爍。通過觀察亮點,科學家們認為已經對太陽周期有了更全面的了解,而不是僅僅關注太陽黑子的活動。亮點首先出現在比太陽黑子高緯度的地方(大約55度)。

并以每年大約3度的緯度向赤道移動,幾十年后到達赤道。這些亮點所追蹤的路徑與中緯度地區(約35度)太陽黑子活動重疊,直到它們都到達赤道并消失。這次消失被研究人員稱為“終結者事件”,緊隨其后的是中緯度地區爆發的大量亮點活動,標志著下一個太陽黑子周期的開始。在發表在《太陽物理學》上一項確定“終結者”事件的新研究中,科學家們用來自不同航天器和地面觀測設施的一系列其他觀測結果。

證實了亮點觀測結果,這些觀測數據可以追溯到13個太陽周期。這篇論文的作者之一,同時也是美國宇航局戈達德太空飛行中心的研究員,馬里蘭大學的科學家Bob Leamon說:我們能夠通過觀察一系列不同太陽活動測量數據(磁場、光譜輻照度、射電通量)以及亮點來識別這些終止器,研究結果表明,真的需要退后一步,利用所有可用的數據來欣賞事物是如何運行的,而不是僅僅一個航天器、一個觀測或一個模型。

海嘯的連接

研究團隊發現,日冕亮點能讓他們更好地“看到”太陽周期的展開。但是為什么太陽黑子周期會在“終結者”之后的幾周開始在中緯度地區激增呢》這篇關于太陽海嘯的研究論文,由NCAR科學家茂蘇米·迪克帕蒂(Mausumi Dikpati)領導,發表在《科學報告》(Scientific Reports)上,探討了觀測背后可能的機制。表明,日冕亮點是太陽“環形磁場”運動的標志,這種磁場像橡皮筋一樣環繞著太陽,沿東西方向伸展,在過去20年里緩慢地向赤道移動。

當這些環形磁場波浪形地到達表面時,會產生太陽黑子以及它們已經產生的亮點。當它們移動時,也扮演著磁壩的角色,將等離子體困在身后。當來自太陽南北半球的環形磁場接觸到中間時,它們相互抵消的電荷導致它們相互湮滅,在海嘯中釋放出它們背后被壓抑的等離子體液體。這種液體向前沖,碰撞,然后向后波紋,以大約每秒300米的速度向兩極移動。當太陽海嘯到達太陽的中緯度時,會遇到下一個周期的環形磁場,這些磁場已經向赤道移動(這一過程由日冕亮點的路徑標志),但在太陽內部移動得更深。

海嘯將這些磁場浮起,將它們抬升到表面,并產生大量的亮點(以及伴隨而來的太陽黑子活動)這標志著新的太陽黑子周期開始。研究觀察太陽黑子的周期已經有幾百年了,但是究竟是什么機制能夠在如此短的時間內,把一個信號從周期結束的赤道,傳輸到太陽的中緯度,也就是下一個周期開始的地方,一直是個謎。作為一個整體,這項研究提供了一種新方式來思考太陽內部的運作方式,挑戰了一些關于太陽活動過程的傳統思維。不管這項研究是否在正確的軌道上,也不管它能否提高我們的預測能力,很快就會得到第一個測試。

研究人員表示,有許多儀器非常適合觀測當前太陽周期不可避免的結束和下一個太陽周期的開始。其中包括去年8月發射的帕克太陽探測器、STEREO-A宇宙飛船、太陽動力學觀測站、井上丹尼爾太陽望遠鏡等。明年,應該有一個獨特的機會,廣泛觀察終結者事件的展開,然后觀看太陽黑子第25個周期的開始。研究人認員表示相信其研究結果,尤其是如果“終結者”真的如預測的那樣出現,可能會徹底改變我們對太陽內部以及產生太陽黑子和形成太陽黑子周期過程的理解。

本文出自:天文研究大學協會參考期刊《科學報告》《太陽物理學》

原標題:太陽上的“終結者”引發等離子體海嘯,并將開始新的太陽周期!

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