大范圍包裹地球的地冕，阻擋了吹向地球的太陽風(fēng)，防止遠(yuǎn)紫外輻射直接到達地面，保護了地球這顆湛藍星球的水圈和生物圈。換而言之，這種帶有磁場的類地行星的冕，為保護行星表面可能存在的生命環(huán)境和生命自身提供了支持。
平勁松中國科學(xué)院國家天文臺研究員
你能想到嗎?也許月球一直在地球的“懷抱”中。
在一項研究中，研究人員分析了1996年至1998年期間在日地第一拉格朗日點3次收集的地球大氣散逸層數(shù)據(jù)，確認(rèn)了地冕(地球大氣的最外層)觀測結(jié)果：地球的大氣層一直延伸到約63萬千米的高度，相當(dāng)于100個地球半徑。這就意味著，月球也被包裹在地球的大氣層中。
這一結(jié)論顛覆了以往人們對于地冕范圍的認(rèn)知：此前科學(xué)家估計地冕層約有9—10個地球半徑高，月球距地球大氣的最外層32—34萬千米。
2020年以來，針對新一輪太陽活動峰年的到來，該研究團隊還持續(xù)監(jiān)測了太陽風(fēng)及其對地冕的沖擊作用。
“對大范圍地冕的發(fā)現(xiàn)，進一步拓展了人類對行星大氣構(gòu)成和存在的認(rèn)知，也拓展了對中心恒星與行星(如太陽與地球)大氣相互作用的認(rèn)知。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員平勁松向科技日報記者表示。
超乎想象地冕高度可達100個地球半徑
地球表面包圍著的大氣被稱為大氣層，從內(nèi)到外分別為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。作為散逸層的一部分，地冕位于地球大氣的最外層，一直延伸到行星際空間。
“該研究團隊近年的空間觀測發(fā)現(xiàn)，地冕層的高度最遠(yuǎn)可以延伸到100個地球半徑，連月亮也不能置身其外。”平勁松指出，這一研究結(jié)論的關(guān)鍵依據(jù)，是美國國家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)聯(lián)合研制的太陽和日光層天文臺SOHO，搭載的太陽風(fēng)各向異性探測器SWAN載荷記錄了太陽風(fēng)和地冕氫氣的互動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在距離地表63萬千米的高度，依然存在太陽風(fēng)與地球等離子體的相互作用。
他介紹道，地冕層主要散射來自太陽的遠(yuǎn)紫外線，自身還會發(fā)出微弱的紫外光線，但是同太陽輻射相比，地冕層發(fā)出的輻射微乎其微。地冕層的形狀看起來有點像飛臨太陽附近的彗星尾巴。
從構(gòu)成成分上看，地冕層與地球大氣其他層很不一樣。例如，地冕層是以氫、氦原子和離子為主要成分的低密度氣暈，而1000千米高度的地球大氣層，主要由氮、氧、二氧化碳和水等分子，以及離子組成。此外，在地球下部大氣和冕層之間，還存在等離子體層過渡帶。
“大范圍包裹地球的地冕，阻擋了吹向地球的太陽風(fēng)，防止遠(yuǎn)紫外輻射直接到達地面，保護了地球這顆湛藍星球的水圈和生物圈。換而言之，這種帶有磁場的類地行星的冕，為保護行星表面可能存在的生命環(huán)境和生命自身提供了支持。”平勁松說。
值得一提的是，對大范圍地冕的發(fā)現(xiàn)意義重大，更為行星科學(xué)增加了新的研究內(nèi)容。“這項發(fā)現(xiàn)向科學(xué)家提出了全新的有待探索的疑問。例如，在行星從星子聚集坍縮成行星進而演化的過程中，星冕從何時產(chǎn)生、如何穩(wěn)定存在?又如，類地行星的冕和氣體行星的冕，在成分、演化上有何異同?”平勁松說。
與恒星冕迥異地冕“壽命”僅幾十天
不僅地球有冕層，太陽系中的金星、火星、水星和木星都有自己的行星冕。太陽作為一顆恒星也有自己的恒星冕，即人們熟知的日冕。
行星冕與恒星冕的區(qū)別很大。平勁松解釋道，恒星，特別是如太陽這樣年輕的恒星，在其最外層都存在一層比較厚的、很稀薄、密度極低的大氣分層，這就是恒星冕。恒星冕的厚度可達幾百萬千米以上，溫度可達幾百萬攝氏度或更高，能夠完全電離其中的氫、氦原子，形成等離子體。恒星冕中主要是質(zhì)子、高度電離的離子和高速的自由電子。這些帶電粒子運動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫中心恒星的引力束縛射向外圍，形成恒星風(fēng)。恒星冕中的氣體源源不斷地產(chǎn)生于底部的光球?qū)樱S持了恒星冕自身的存在。
“而行星冕中的離子會與恒星風(fēng)質(zhì)子進行電荷交換，導(dǎo)致其‘壽命’大約只有幾十天，這也使得行星冕的大小范圍受到限制。”平勁松強調(diào)。
由于上述區(qū)別，從天文觀測角度，行星冕更難于被觀察到，恒星冕的觀測則更加容易。平勁松稱，恒星冕不僅在光學(xué)波段有輻射，在射電波段也存在暴發(fā)輻射，因而可以在多個電磁波頻段被人類觀測到。不過，行星冕也并非神秘到不為世人所見，科學(xué)家們也曾利用多種探測器，一睹了行星冕的“芳容”。
“屏蔽”紫外波段地冕加大天文觀測難度
地冕吸收了來自宇宙空間天體的紫外輻射，阻擋了科學(xué)家從地面或從行星空間利用電磁波的紫外、特別是中遠(yuǎn)紫外波段，去觀測宇宙星辰的機會。
于是科學(xué)家另辟蹊徑。“在這些波段，科學(xué)家只能借助飛行在地冕中高層或在其之外的紫外望遠(yuǎn)鏡，如設(shè)置在日地系統(tǒng)的拉格朗日平動點，來規(guī)避地冕對紫外波段的吸收干擾，開展天文觀測。”平勁松表示。
在人類探測地外生命的歷程中，一項重要的任務(wù)就是尋找“第二個地球”。
通常在光學(xué)波段，天文學(xué)家是通過系外行星遮擋比其大的中心恒星的光度變化，來搜尋適宜人類居住的天體。平勁松介紹：“因為地冕的存在，科學(xué)家會在系外行星遮擋中心恒星時，在紫外波段監(jiān)測與氫、氦原子密切關(guān)聯(lián)的特定波長的紫外電磁波輻射吸收，來判定地冕的存在和尺寸，進而推定系外行星被保護的狀況和其上存在生命的概率。”
除了紫外波段和光學(xué)波段，利用地冕以及類地行星冕能夠輻射數(shù)千米到數(shù)十米波長的無線電電磁暴發(fā)信號特性，科學(xué)家可以借助非常靈敏的地面無線電裝置，通過搜尋、監(jiān)測系外行星在這個波段的電磁波輻射，來尋找更多的系外類地行星候選天體。
盡管地冕的存在給天文觀測造成了一定的阻礙，但幸運的是，地冕為人類觀測其自身留下了一扇窗。
“它們會吸收太陽遠(yuǎn)紫外波段氫和氦的電磁波輻射，受到輻射激發(fā)的氫、氦原子和離子會發(fā)出微弱的紫外輻射，從而可以被遠(yuǎn)離地球的探測器看見。”平勁松說。
此次研究的地冕數(shù)據(jù)，就是來自于1995年發(fā)射升空的SOHO搭載的太陽風(fēng)各向異性探測器SWAN。該探測器繞太陽公轉(zhuǎn)并對太陽展開研究。此外，它還能測量來自地冕的光線。令人驚訝的是，這批數(shù)據(jù)是SOHO于1996年至1998年間獲取。因而，這項最新研究發(fā)現(xiàn)被戲稱“遲到了二十年”。
我國嫦娥三號月球探測器于2013年底發(fā)射升空并成功降落至月球正面之后，也曾“看到”過地冕，并證實了介于電離層和磁層之間的地球“等離子體層”的存在。嫦娥三號攜帶了觀測地球外層大氣等離子體層的紫外望遠(yuǎn)鏡，監(jiān)測到了地冕隨著時間變化的“倩影”。(唐 芳)
