自從科學家知道太陽的日冕層(corona)下面存在一個色球層(chromosphere)之後長達二十年的時間裏,僅在日全食的時候,偶爾在月球的剪影之下,才能一睹太陽色球層的風采——一層亮紅色的光環。

色球層顧名思義,就是有顏色的一層,是太陽大氣層主要三層中的第二層,厚度約二千公里,夾在日冕層和光球層(photosphere)的中間。色球層的密度很低,加之光球層的高亮度,因此沒有特殊的設備一般都看不到看到這個層次。所以在發現這個層次存在之後一百多年來,科學家對這個層次的了解仍然很有限。

為甚麼探測色球層

人們已習慣使用地面的天氣預報安排各種生活和生產活動,科學家正致力拓展開發「太空天氣預報」,主要圍繞太陽的活動情況做出預報。太陽表面拋射物和噴發的活動,對地球上人類的活動,以及太空項目都有相當大的影響。在影響太陽活動的因素中,太陽的磁場是背後重要的推動因素之一。太陽的磁力線從太陽的表面延伸到比地球更遠範圍的空間,可是它們不可見,科學家只能間接探測它們,例如通過等離子、高溫氣體發出的光,就像高速公路上的車燈一樣照出它們的線條。

磁力線的分佈特點——分散而筆直還是緊密而糾纏,對於太陽表面的活動造成很大的影響。

這項新研究的主要作者日本國立天文台的物理學家石川涼子(Ryohko Ishikawa)說:「太陽既美麗又神秘,它的磁力線控制著它每時每刻的活動。」

在理想的情形下,科學家認為從日冕層可以得到磁力線數據,因為太陽的噴發活動都發生在這一層,但是這一層等離子體分佈太稀疏,讀數不準確。日冕層的密度還不到地球海平面大氣密度的十億分之一。

所以,科學家後來改為測量密度高得多的光球層,再利用數學模型推測日冕層的數據。可是科學家又發現,磁力線在色球層的變數太大了,這樣跳過色球層用模型推測的數據準確度太低。

美國太空總署(NASA)前工程師拉赫梅勒(Laurel Rachmeler)說:「色球層是個炙熱、混亂的一層。我們簡化地對光球層和日冕層分別進行估計,但是由於不明確色球層的情況,這些估計都失敗了。」所以,要了解太陽活動的情況,色球層是不可忽略的一個層次。

這份研究第一次突破了這個障礙,美國、日本、西班牙和法國的科學家合作,發明了一種全新的方法測量色球層的磁力線。

看一眼就掉下來的探測器

他們把2015 年使用的色層分光旋光計(CLASP) 進行改裝,發射了色層分光旋光計2 號(CLASP2)測量太陽的磁力線。

CLASP 系列項目是一種測量火箭,讓測量設備搭載火箭發射升空,幾分鐘之內就在降落傘的幫助下落回地面。這種探測方式比發射衛星探測器的成本低、規劃時間短,也是試驗新技術的好辦法。

這項研究中,CLASP2 被發射到離地274 公里的高空,快速完成對太陽的測量後落回地面。

三個項目合作

項目組安排在CLASP2 測量的同時, 讓NASA 的界面區域成像光譜儀(IRIS)、日出號(Hinode)太陽探測衛星也同時對準太陽的同一位置的不同高度進行測量。

通過這三個項目的合作,NASA 有史以來第一次測得太陽色球層內部和周圍同一位置、四個高度層次的磁力線數據。研究者表示,從數據上看到最驚人的特點是,太陽色球層磁力線變化太大。研究組希望接下來使用這種新的測量方法,繪製出整個色球層磁場的情況,將為太空天氣預報提供重要的信息。

這項成果2 月19 日發表於《科學進展》(Science Advances) 期刊。◇