太阳的“对流难题”解决了？科学家们靠近破解太空天气的奥秘

科罗拉多大学博尔德分校的一项新研究可以帮助科学家更好地理解“太阳黑子”背后的现象。

太阳有很长的兴趣科学家。然而，这个超级加热的球体等离子体——离地球最近的恒星——也出了名的难以研究，留下了许多未解之谜。

现在，研究人员对长期困扰太阳的现象“对流难题”有了一个可能的答案。研究结果最近发表在美国国家科学院院刊这为我们了解太阳神秘的内部活动提供了一扇新的窗户，并可能对理解空间天气有未来的启示，空间天气影响从卫星到电网的一切。

太阳有几个不同的区域。其中一个是对流区，大约20万公里(200米)，占太阳外层的30%。太阳核心核聚变产生的能量向外移动到太阳表面。当它到达对流区，能量导致流体在称为对流流的涡流和螺旋中旋转。

科学家们认为，这些漩涡中最大的应该与对流区本身的大小差不多——20万公里——并开始寻找这些所谓的“巨细胞”。尽管研究了多年，但研究人员仍未能观测到如此大的对流流，因此出现了这个难题。

“为什么没有观察到典型的巨细胞?”为什么以及如何观察到与数值模型相矛盾?科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)教授、应用数学系主任基思·朱利安(Keith Julien)说。他也是这项研究的合著者之一。

悉尼大学的新研讨会（Phdastrophys / Atmos'08），西南研究所的尼古拉斯·芬特通（Phdastrophys'10）和Julien表示，太阳的旋转比先前的研究人员更重要。强大的旋转会产生细长的，椭圆形的对流流量，实际上是30,000公里（30 Megameters）的大小，而不是200,000。

它们通过在物理学，数学，气象和海洋学领域的多学科方程和理论上绘制了这种理论预测。

“实质上，没有巨大的细胞，”朱利安说。“这种长期的信念或追捕它们可能已经有点红鲱鱼。旋转给出了不同的流体流动结构，在这些刻度为30立方厘米的情况下发光。“

朱利安说，这些发现意义重大，因为它们为一个存在了几十年的科学问题提供了解决方案。

但除此之外，更多地了解太阳对流区可能有助于科学家更好地了解太阳磁场，这种现象被称为全球太阳发电机。

朱利安说:“太阳的全球发电机磁场对太空天气有影响，这真的很重要。”“如果不了解发电机是如何工作的，我们就无法对太空天气有更多的了解。”

研究人员、政府和公司对太阳磁场特别感兴趣，因为它会对卫星和国际空间站造成阻力。

它还具有造成灾难性损害的可能性。Sun的磁场以太阳黑子的形式出现在其表面上，有时会在地球上爆发和漂流放射性等离子体。

“大型太阳能活动可以在几天内轻松消除10万亿美元的全球基础设施，”Vasil说。“我们只会有几个小时做一些事情。它可以使流行病目前在全球范围内具有施力的魅力看起来很小。一个大的太阳能活动可能意味着在全球范围内没有通信或电力。这是一个巨大的风险，几乎没有人知道它。“

这些调查结果并不直接回答我们关于太阳磁场的问题，但他们是了解其他研究人员可以建立的全球太阳能发电机的旅程中的一个重要步骤。

在近期，这些调查结果为研究人员提供了对太阳的数值模拟的研究提供了新的约束，他们现在可以更好地了解模拟旋转的挑战。

“截至目前，发电机模型尚未考虑正确旋转，”Vasil说。

研究人员希望他们或其他科学家可以在数学上证实他们的预测，最终实际上观察到太阳中的对流流动。

“由于许多原因，很难测量我们预测的内部流动类型，”Vasil说。“部分原因是，海面上有很多噪音，大小恰好与我们预期的更深的海底差不多。我们认为这只是一个巧合。但这意味着观察人士将需要更多的数据来了解发生了什么。”

更广泛地，调查结果让我们更靠近恶意太阳的一步，这使我们的存在持续，并拥有关于宇宙的演变的许多线索。

“太阳是生命的赐予者，但它也有很多奇怪之处，”朱利安说。“我们的宇宙是由恒星组成的，我们知道恒星也与行星系统有关，所以从普遍的科学角度了解我们最近的行星系统和我们最近的恒星是非常重要的——我们来自哪里?我们是怎么到这儿来的?”

参考：“轮换抑制了巨型型太阳对流”，Geoffrey M. Vasil，Keith Julien和Nicholas A. Featherstone 2021年7月29日，美国国家科学院院刊．
DOI：10.1073 / PNAS.2022518118