日冕为何比太阳表面热得多

在《天体物理学杂志》上发表的一项新研究中，阿拉巴马大学亨茨维尔分校(UAH，隶属于阿拉巴马大学系统)的一名研究人员探索了一种称为动能阿尔文波(KAW)现象的关键方面，为古老的太阳物理学之谜提供了新的见解。

阿拉巴马大学亨茨维尔分校空间等离子体和航空研究中心 (CSPAR) 的研究生助理 Syed Ayaz 研究了 KAW 在加热日冕中可能发挥的关键作用，使科学更接近于解决日冕为何比太阳表面温度高出许多倍的谜题。

“几十年来，阿尔文波已被证明是将能量从一个地方传输到另一个地方的最佳候选者，”阿亚兹说，并指出了 KAW 在驱动日冕热量方面的潜在作用。

“本文采用一种新颖的方法来模拟太空等离子体中的高能粒子，就像维京号和弗雷亚号等卫星观测到的那样，以回答波的电磁能量如何在波穿过太空时与粒子相互作用并在衰减过程中转化为热量。

“我们的研究探索了太阳大气中的扰动电磁场、坡印廷通量矢量和 KAW 的功率传输率。”

日冕，又称太阳大气，是围绕着我们恒星的神秘区域，远远超出了可见的太阳圆面，延伸到太阳表面上方约 800 万公里。然而，日冕还具有极高的温度，这一谜团让天体物理学家们困惑了近 70 年。

CSPAR 主任、UAH 空间科学系 Aerojet Rocketdyne 主席 Gary Zank 博士表示：“Syed 是我们优秀的学生之一，他刚刚开始他的研究生涯。他对阿尔文波的浓厚兴趣始于他在巴基斯坦留学期间与导师 Imran A. Kahn 博士一起工作，现在他开始研究非常小尺度的阿尔文波，即等离子体中所谓的动能尺度。”

“他的工作为解决这一关键问题提供了重要见解，即磁场中的能量如何转化为加热由质子和电子等带电粒子组成的等离子体。赛义德的工作之所以重要，原因之一是我们仍然不明白为什么太阳大气层的温度超过 100 万度，而太阳表面的温度相对较低，只有 6,500 度。”

动能阿尔文波在整个等离子体宇宙中大量存在，是离子和磁场在穿过太阳等离子体时产生的振荡。这些波是由光球层(太阳外壳，辐射可见光)的运动形成的。

“我对这些波的主要兴趣是由帕克太阳探测器和太阳轨道器任务的发射引起的，它们提出了一个关键问题：日冕是如何加热的，”阿亚兹说。“到目前为止，还没有航天器任务对太阳附近的这些现象做出预测，特别是在 0-10 个太阳半径范围内。我们的主要重点是研究日冕中这些范围内的 KAW 加热。 ”

“我们专注于 KAW 促进的加热和能量交换，”研究人员指出。“人们对这些波产生极大兴趣的原因在于它们传输能量的能力。来自众多航天器的观测数据和理论研究一致表明，KAW 在太空传播过程中会消散并导致太阳日冕加热。”

由于这些独特的特性，这些波提供了一种传输能量的关键机制，这对于理解电磁场和等离子粒子之间的能量交换非常重要。

阿亚兹说：“KAW 在小动力学尺度上运行，能够支持平行的电场和磁场波动，通过一种称为朗道相互作用的现象实现波场和等离子体粒子之间的能量传递。”

“本研究利用并探索了朗道阻尼机制，当平行于波移动的粒子的速度与波的相速度相当时就会发生这种机制。”

朗道阻尼是等离子体中特定波随时间呈指数下降的现象。“当粒子与波相互作用时，它们会接收/损失能量——这个术语称为‘共振条件’，”阿亚兹说。

“这可能导致波要么将其能量传递给粒子，要么从粒子中获取能量，从而导致粒子要么变湿要么变大。我们的研究发现，KAW 会迅速消散，将其能量以加热的形式完全转移到等离子体粒子中。这种能量转移使粒子在更长的空间距离上加速，从而显著影响等离子体的动力学。”

从这项研究中获得的分析见解将在理解太阳大气中的现象方面有实际应用，特别是阐明非热粒子在加热过程中发挥的重要作用。

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