违反热力学原理的日冕加热问题

违反热力学第二原理的日冕加热问题

太阳是一个由氢组成的气体球，由于重力的原因，内核的氢原子核堆叠十分细密，并且温度也反常高，这样就激发了氢核聚变，这个跟氢弹爆破的原理相同。太阳内核的温度高达16,000,000度，氢核聚变是其能量来历。巨大的能量源源不断地往外传输，这也是太阳发光发热的原因。太阳可见的外表温度现已下降至约5000度，该温度的气体发光便是咱们往常能够看见的太阳。

图1：可见太阳与日冕大气（Credit NASA, LMSAL）

可是太阳外围还包裹着一层大气，称为日冕（太阳的帽子，见图1）。依照惯例物理学原理了解，太阳外围的大气温度应该低于内部的大气。由于依照热力学第二原理，能量由高温物质传输到低温物质，该进程在天然状况下不可逆。太阳日冕的能量由太阳内部供应，所以其温度应该低于5000度；反之，假如太阳日冕的温度高于5000度，太阳日冕应该能够向太阳内部传输能量。

奇怪的是，日冕温度高达1,000,000度，部分可达10,000,000度量级，其大气都是彻底电离的气体，咱们称为等离子体。怎么解说其能量来历，即违反热力学第二原理的日冕加热问题，是几十年未解的难题。

开尔文-亥姆霍兹不稳定性：“搅动”云层、大气、烟雾

开尔文-亥姆霍兹不稳定性（英语：Kelvin–Helmholtz instability，称号来自开尔文男爵和赫尔曼·冯·亥姆霍兹），是在有速度剪切的接连流体内部或有速度差的两个不同流体的界面之间发作的不稳定现象。

图2.开尔文-亥姆霍兹不稳定性的触发

开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性发作在流速不同的流体触摸面，由于各种扰动的存在，触摸面会随机发作小标准形变，形变之后发作的压力差的方向与形变位移共同，这样就导致形变持续增大，这便是开尔文-亥姆霍兹不稳定性基本原理（见图2）。

这种不稳定性在许多流体中都有发现，比方，云层、木星大气、烟雾等（见图3）。

图3. 开尔文-亥姆霍兹不稳定性的实例，云层、木星、香薰的烟雾

开尔文-亥姆霍兹不稳定性能够加快不同物质之间的能量交流，大标准的能量向小标准演化，加快冷热物质的混合，促进动能向热能的转化。这便是在太阳日冕中发现开尔文-亥姆霍兹不稳定性的含义。

“一个萝卜一个坑”，不同波段对应不同温度的等离子体

太阳的高层大气十分活泼，常常发作耀斑、日冕物质抛射、喷流等活动，存在不同层面和不同标准的能量和物质的交流。研讨日冕加热问题，最大的难题在于太阳内部的能量怎么经过不同的物理学进程，将能量开释在日冕大气中。其间，磁场的开裂与从头衔接（磁场重联）、等离子体动摇、高能粒子、物质与能量流等都能够源源不断地向太阳高层传输物质与能量，可是只要耗散在日冕中的部分能够对日冕物质加热有奉献。

一般观测太阳是经过滤波片挑选必定的窄带波段，不同波段对应不同温度的等离子体。比方，19.3纳米的成像观测1,600,000度的等离子体辐射，这是极紫外辐射，很难穿透大气，一般需求用空间卫星带着望远镜观测；Ha的波长为656.28纳米，观测约10000度等离子体的辐射，该波段坐落可见光规模，大气吸收很小，一般能够终究靠大型地上望远镜做高时空分辨率观测。

所以，在19.3纳米图画中一般看不见Ha中可见物质；反之，Ha的图画中也无法看见辐射19.3纳米的物质。可是，无论什么物质都是实践存在于十分不均匀的太阳大气外表，它们经过磁场压强相互影响，可是单一窄带成像无法观测它们之间的相互作用。这个道理也相同适用于其他差异波段的穿插观测，比方，17.1纳米，33.5纳米，X-射线等。

新研讨：开尔文-亥姆霍兹不稳定性将更多物质、能量停留于日冕大气

近期，科研人员使用中科院云南天文台的新真空太阳望远镜(NVST)和美国航空航天总署(NASA)的太阳大气成像阵列，观测低温与高温物质的相互作用，即能量与物质的交流。

图4.Ha观测低温等离子体与19.3nm波段观测高温等离子体相互作用（Yuan et al 2019）。

科研人员发现，低温与高温物质各自演化了开尔文-亥姆霍兹不稳定性。可是在单一波段无法观测与之相互作用的物质。当在一张图中一起展现低温文高温物质时，他们的凹凸外表（不稳定性结构）互补(图4b)，标明他们别离代表两层物质流的剪切运动。

科研人员追寻其间一个开尔文-亥姆霍兹不稳定性的涡流（图4b,4c中的方框）后发现，它在演化的进程中运动速度忽然翻了约3倍，从35km/s到93km/s（图5）。这个加快进程在12秒内完结，并且这与19.3nm辐射和辐射测度的增强同步（图5），后者代表了温度的忽然升高。这样的一个进程或许代表开尔文-亥姆霍兹不稳定性演变到高度非线性，其带着的磁场累积了许多能量，在瞬间忽然坍塌，从头组合成低能态的磁场结构（磁重联进程）。

科研人员发现，这次开尔文-亥姆霍兹不稳定性所开释的能量，大概是纳耀斑（小标准磁重联）的100-10000倍，是惯例耀斑（整个活动区域的磁重联）的0.0001-0.1倍。假如这种不稳定性发作在太阳大气的许多区域，这也是有很大的或许性的。那么，不稳定性对日冕加热的奉献是十分可观的。可是需求更多的相关观测和统计工作，才干愈加量化地研讨不稳定性对日冕加热的奉献。

开尔文-亥姆霍兹不稳定性也在多种结构中被发现，这中心还包含日冕物质抛射、日冕环中物质流对撞。开尔文-亥姆霍兹不稳定性能够加快物质与能量的交流，将更多的物质和能量停留的日冕大气中，促进等离子体的加热。研讨结果暗示，高温与低温的等离子体相互作用，很大程度上或许被轻视，由于窄带成像观测无法提醒完好的进程。

图5. 开尔文-亥姆霍兹不稳定性的涡流的加快进程与温度的增高（Yuan et al 2019）

图6.日冕物质抛射引发的开尔文-亥姆霍兹不稳定性（Foullon et al 2011），日冕环中物质流就对撞形成的磁重联与加热进程（Fang et al 2016）

来历：中国科学院云南天文台