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太阳圈

此条目介绍的是太阳的星状球。关于其它恒星的星状球，请见“星风泡”。

太阳圈（英语：Heliosphere）是太阳所能支配或控制的太空区域。太阳圈的边缘是一个磁性气状泡，并且远远的超出冥王星之外。从太阳"吹"出的等离子体，也就是所谓的太阳风，创建和维护着这个鼓起的泡沫，并且抵抗来自银河系的氢气和氦气，也就是外面的星际物质，渗入的压力。太阳风从太阳向外流动，直到遭遇到终端激波，然后在那里突然的减速。旅行者航天器积极的探测太阳圈的边界，穿越过激波和进入日鞘，为了到达太阳圈最外层的边缘，称为日球层顶的过渡区。当太阳在空间中移动时，太阳圈的整体形状是由星际物质控制的，它似乎不是一个完美的球形[1]。以有限的资料用于未探勘过的自然界[2]，已经推导出许多理论的架结构。

图显示自2012年8月起，旅行者1号检测到的太阳风颗粒减少了。

在2013年9月12日，NASA宣布旅行者1号已经在2012年8月25日穿过太阳圈，当时它测量到的等离子体密度突然增加了40倍[3]。因为日鞘标志着太阳风和其余银河系的一种边界，可以说旅行者1号已经离开太阳系，抵达星际空间。

摘要

 
星际边界探测器（IBEX）的高能中性原子（英语：Energetic neutral atom）图。创建者：NASA / 戈达德太空飞行中心科学的具体化工作室（Scientific Visualization Studio）。

除了局部地区邻近的障碍，像是行星或彗星，太阳圈内的物质都是自太阳发射出来的，然而宇宙射线和高能中性原子（英语：Energetic neutral atom）可以从外面渗入。起源于极端高温的日冕表面，太阳风中的微粒达到逃逸速度，以每秒300至800公里（时速67万至179万英里或100万至290万公里）向外流[4]。当它们开始与星际物质进行交互作用时，其速度减慢，终至完全停止。在太阳风低于音速的点称为终端激波；在它穿越日鞘时速度继续减慢并导引至称为日球层顶的边界，在那儿太阳风与星际物质的压力达到平衡。旅行者1号在2004年横越终端激波[5]，而旅行者2号在2007年横越终端激波[1]。

它被认为在日鞘之外有弓形激波，但来自星际边界探测器的资料显示太阳在星际物质中移动的速度太低，不会形成弓形激波[6]，它可能只是较温和的"弓形波"[7]。旅行者的资料导出日鞘有"磁性泡泡"和停滞区的新理论[8][9]。

旅行者1号在2010年检测到日鞘内的停滞区大约开始于113AU天文单位[8]，太阳风的速度在那儿降至0，磁场强度倍增，来自银河系的高能电子增加了100倍[8]，在2012年5月，位于120AU之处开始，旅行者1号检测到宇宙射线突然增加，这是接近日球层顶的迹象[10]。在2012年12月，NASA宣布旅行者1号在2012年8月，在距离太阳122AU之处，进入一个新的区域，它被称为"磁公路"，这是仍然受到太阳影响，但有一些显著的差异的区域[5]。在2013年的夏天，NASA宣布旅行者1号已经在2012年8月25日进入星际空间[11]。

卡西尼号和星际边界探测器（IBEX）的资料在2009年挑战了"日球层尾"（heliotail）的理论[12][13]，在2013年7月，IBEX的结果显示在太阳系的太阳圈有4条分裂的尾[14]。

太阳风

主条目：太阳风和行星际物质

太阳风中包含的微粒有来自日冕的离子和由微粒携带的场，特别是磁场。当太阳以大约27天的周期自转时，磁场也跟随着太阳风缠绕成螺旋线。太阳磁场的变化也随着太阳风向外传送，并且在地球自己的磁气层内造成地磁风暴。

在2005年3月，装置在SOHO卫星上的太阳风各向异性仪（SWAN）的报告显示，原本应该被太阳风的微粒填满的太阳圈，藉以阻挡来自太阳系外的星际介质，在周围的区域已经有星际介质渗入，而且可能在银河系区域性的磁场作用下产生了变形，成为非轴对称的形状[15]。

结构

太阳圈电流片

 
伸展至木星轨道外的太阳圈电流片。
主条目：太阳圈电流片

太阳圈电流片是转动的太阳磁场在太阳圈内创造出来的涟漪，被认为是太阳系内最大的结构。它伸展在太阳圈中，类似芭蕾舞的女舞者舞动着的裙摆[16]。

外围的结构

 
在对数尺度下向外延伸的太阳系，显示出太阳圈、奥尔特云和半人马座α。

太阳圈的外围结构取决于太阳风和星际空间风的作用。太阳风由太阳的表面向四面八方流出，在地球附近的速度大约是每秒数百公里（大约是时速一百万英里）。在远离太阳的某个距离上，至少超越过海王星的轨道，这股超音速的气流必然会减速并遭遇到星际物质。在这儿有几个阶段将发生：

  • 太阳风在太阳系内以超音速的速度向外传送。在终端激波处，一种停滞的激波，太阳风的速度降低至音速（大约340米/秒）之下，成为亚音速。
  • 一旦低至亚音速，太阳风也许会受到周围的星际物质流影响：压力导致太阳风在太阳后方形成像彗星的尾巴，这个区域称为日鞘（heliosheath）。然而，2009年的科学结果显示这种模型是不正确的[12][13]。截至2012年，它被认为是充满了磁性泡泡的泡沫[17]。
  • 日鞘的外层表面，也就是太阳圈与星际物质遭遇的表面，称为日球层顶。这是整个太阳圈的边缘，2009年的科学研究结果调整了这个模型[12][13]。
  • 理论上，当太阳在环绕银河中心的轨道上运转时，日球层顶会在星际物质中造成湍流。在日球层顶的外面，可能会有一个造成压力增加以抵抗星际物质的湍流区域。然而，太阳风相对于星际物质的速度可能太低，还不足以形成弓形激波[6]。

终端激波

 
在洗脸盆的终端激波。

终端激波是在太阳圈内的太阳风因为与当地的星际物质交互作用，使速度降至亚音速的点（相对于太阳）。这造成压缩、加热、和磁场中的变化。太阳系的终端激波被认为在距离太阳75至90天文单位的距离上[18]。旅行者1号在2004年通过太阳的终端激波，随后旅行者2号在2007年也通过了[1][3][19][20][21][22][23][24]。

激波是因为从太阳辐射出来的太阳风微粒速度大约是每秒400公里，而声音的速度（在星际物质）大约是每秒100公里（正确的速度与密度相关，不能忽略其影响）。星际物质的密度虽然很低，不过它的压力是个恒定的常数；太阳风的压力则与太阳距离平方成反比的减弱。当距离太阳足够远的时候，星际物质的压力变得足以让太阳风的速度降低至音速之下，这就会造成激波。

在地球上也可以看到其他形式的终端激波，例如流水进入水槽中的拍打水槽底部造成的水的跃迁。在击中水槽的底部时形成浅的水盘，但水的流速高于该处的波速，于是迅速的分流使水滴溅起（类似于稀薄的、超音速的太阳风）。在浅盘的周围，形成激波前缘或水墙，在激波前缘之外，水的运动速度低于该处的波速（类似于亚音速的星际介质）。

从太阳再往外，跟随在终端激波后的是太阳层顶（Heliopause），是太阳风的微粒因星际介质而停滞不前之处，然后来自星际介质的弓形激波通过这些微粒就不再会活跃了。

在2005年5月美国地球物理联合会的会议上，艾登·史东博士以旅行者1号航天器在2004年12月，距离太阳94天文单位处磁场读数的变化做为证据，证明它通过了终端激波。相对的，旅行者2号在2006年5月，距离太阳只有76天文单位处，开始侦测到返回太阳系的微粒。这暗示了太阳层顶的外形可能是不规则的，在北半球是向外凸起的，而南半球则受到向内的挤压。[25]

星际边界探险号（IBEX）任务将企图收集更多太阳系的终端激波资料。

日鞘

主条目：日鞘

日鞘是太阳圈的终端激波外面的区域，太阳风在此处因为与星际介质的交互作用，因而减速、压缩和产生湍流。此处与太阳最接近的距离大约在80至100天文单位；然而，日鞘的形状在空间中像彗星的彗发，尾迹在相对于太阳运动的路径上，会比朝向太阳运动的方向长了数倍。在它的迎风面，厚度估计在10至100天文单位之间[26]。旅行者1号和旅行者2号目前的任务就包括对日鞘的研究。

在2005年5月，NASA宣称旅行者1号已经在2004年12月，距离太阳94天文单位，进入日鞘。稍早的报告，在2002年8月（距离85天文单位）现在已经被认为是不成熟的看法。

日球层顶

主条目：日球层顶
 
日球层顶是太阳圈和太阳系外的星际介质的边界。当太阳风接近太阳层顶，他的速度突然减缓并形成激波，太阳风的终端激波。

日球层顶是太阳的太阳风被星际物质阻止的理论边界；太阳风的强度已经不足以击退周围恒星的恒星风。这是星际物质和太阳风压平衡的边界。太阳风带电粒子温度的急遽下降，磁场方向的变化、银河宇宙射线数量的增加，预示著日球层顶与星际物质的交会。在2012年5月，旅行者1号探测到这种宇宙射线迅速增加（在一个月内增加了9%，而之前从2009年1月到2012年1月只逐渐增加25%），这表明它正在接近日球层顶[10]。在2012年8月底至9月初，旅行者1号的太阳质子数量急遽下降，从8月下旬的每秒25个粒子下降到10月初的每秒2个粒子。在2013年9月，美国国家航空航天局宣布：截至2012年8月25日，旅行者1号已经越过了日球层顶[11]。这个距离是121天文单位（180亿公里）[27]。与预测相反，旅行者1号的数据显示银河系的磁场与太阳磁场是匹配的[28]。

 
"..太阳风和星际物质的相互作用，形成一个称为日鞘的内天体区域，内侧的边界是终端激波，外缘是日球层顶。"-NASA[29]

另一种可供选择的定义是：太阳层顶是太阳系磁场的磁层顶和银河系的等离子体流交会之处。

航天器的探测

 
在日鞘中的旅行者1号。

精确的日鞘形状和距离迄今仍不能决定，行星际航天器，像先驱者10号、先驱者11号、旅行者1号和旅行者2号都朝向太阳系的边缘前进，最终都将穿越日球层顶。

在2005年5月，旅行者1号被宣布已经在2004年12月，在85天文单位的距离上越过终端激波进入日鞘。在相对方向上的旅行者2号，在2006年5月当她距离太阳只有76天文单位时，因为侦测到返回的微粒，也被认为越过了终端激波。这暗示太阳圈的形状也许是不规则的，在太阳的北半球向外凸起，而南半球被向内挤压[30]。

 
艺术家想像下，在长蛇座 R的弓形激波。

相关条目

注解

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Voyager 2 Proves Solar System Is Squashed NASA.gov #2007-12-10. [2015-03-27]. （原始内容存档于2017-01-27）. 
  2. ^ J. Matson - Voyager 1′s Whereabouts: No News, but Plenty of Noise (2013) - Scientific American. [2015-03-27]. （原始内容存档于2015-05-07）. 
  3. ^ 3.0 3.1 NASA Spacecraft Embarks on Historic Journey Into Interstellar Space (Sept. 2013). [2015-03-27]. （原始内容存档于2013-11-04）. 
  4. ^ The Solar Wind. [2015-03-28]. （原始内容存档于2011-08-22）. 
  5. ^ 5.0 5.1 NASA Voyager 1 Encounters New Region in Deep Space. [2015-03-28]. （原始内容存档于2019-09-28）. 
  6. ^ 6.0 6.1 New Interstellar Boundary Explorer data show heliosphere's long-theorized bow shock does not exist, Phys.org, May 10, 2012 [2012-02-11], （原始内容存档于2012-07-19） 
  7. ^ G. P. Zank, et al. - HELIOSPHERIC STRUCTURE: THE BOW WAVE AND THE HYDROGEN WALL (2013)
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 NASA's Voyager Hits New Region at Solar System Edge 12.05.11. [2015-03-28]. （原始内容存档于2015-03-08）. 
  9. ^ NASA 2011. [2015-03-28]. （原始内容存档于2014-08-23）. 
  10. ^ 10.0 10.1 NASA = Data From NASA's Voyager 1 Point to Interstellar Future 06.14.12. [2015-03-28]. （原始内容存档于2015-03-08）. 
  11. ^ 11.0 11.1 NASA Spacecraft Embarks on Historic Journey Into Interstellar Space. [2015-03-27]. （原始内容存档于2013-11-04）. 
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  13. ^ 13.0 13.1 13.2 First IBEX Maps Reveal Fascinating Interactions Occurring At The Edge Of The Solar System. 16 October 2009 [March 2016]. （原始内容存档于2020-06-10）. 
  14. ^ NASA’s IBEX Provides First View Of the Solar System’s Tail'. [2015-03-28]. （原始内容存档于2018-09-09）. 
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  17. ^ NASA - A Big Surprise from the Edge of the Solar System (06.09.11). [2016-06-24]. （原始内容存档于2016-06-17）. 
  18. ^ Nemiroff, R.; Bonnell, J. The Sun's Heliosphere & Heliopause. Astronomy Picture of the Day. June 24, 2002 [2007-05-25]. （原始内容存档于2010-08-02）. 
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  27. ^ Cowen, Ron. Voyager 1 has reached interstellar space. Nature. 2013-09-12: nature.2013.13735 [2022-04-17]. ISSN 0028-0836. S2CID 123728719. doi:10.1038/nature.2013.13735. （原始内容存档于2021-12-27） （英语）. 
  28. ^ Vergano, Dan. Voyager 1 Leaves Solar System, NASA Confirms. National Geographic. 14 September 2013 [9 February 2015]. （原始内容存档于2019-07-16）. 
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  30. ^ CNN.com - Voyager II detects solar system's edge - May 23, 2006. www.cnn.com. [2022-04-17]. （原始内容存档于2017-10-04）. 

参考资料与延伸读物

外部链接

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