「太陽風」的能源找到了

Solar wind energy source discovered
http://phys.org/news/2013-03-solar-energy-source.html

By Dr. Tony Phillips, March 11, 2013

利用來自 NASA 一艘老太空船的資料，研究者在太陽風中發現某種能源的跡象，那引起核融合研究者的注意。NASA 將能在這十年之內測試此理論，那時他們將會把一具新的探測器送入太陽，以便就近觀察。

這是一群天文學家的發現，他們試圖要解決一個歷史有數十年之久的謎：什麼東西加熱與加速了太陽風？

太陽風是一種熱且快速流動的磁化氣體，那從太陽的上層大氣湧流而出。那由氫與氦離子組成，外加一點較重的元素。研究者將之比喻為從爐上一壺煮沸的水所冒出來的蒸氣；而太陽則是把自己煮開。

"不過... " NASA Goddard 航太中心的 Adam Szabo 表示，"太陽風做了某件你家廚房裡的蒸氣所不曾做過的事。" 當蒸氣從茶壺飄走，它會變慢與變冷。太陽風離開太陽時，它會加速，當通過日冕時，速度已是原先的三倍。此外，太陽風裡的某種東西會持續加熱，即便它吹向寒冷的太空中。"

尋找這「某樣東西」已成為研究者數十年來的目標。在 1970 與 1980 年代，由二艘德／美 Helios 太空船所進行的觀測為早期理論立下基礎，那通常包含電漿不穩定性（plasma instabilities）、磁流體力學波（magnetohydrodynamic waves）以及紊流加熱（turbulent heating）的某種混合。刪減可能性是一種挑戰。結果，答案隱藏在 NASA 其中一艘最老現役太空船，一個名為「Wind」的太陽探測器，的資料組裡。

對 Justin Kasper（Harvard-Smithsonian 天體物理學中心）來說，利用「 Wind」來揭開這個謎，是一件不費吹灰之力（no brainer）的事。他與其團隊處理這艘太空船全部 19 年的太陽風溫度、磁場與能量讀數記錄，以及....

"我想我發現了，" 他說。"太陽風中的熱源是離子迴旋加速波（ion cyclotron waves）。"

離子迴旋加速波是由如波浪般律動，繞著太陽磁場旋轉的質子所構成。根據 Phil Isenberg（英國 New Hampshire 大學）所發展的理論，以及 Vitaly Galinsky 與 Valentin Shevchenko（UC San Diego）的解釋，離子迴旋加速波從太陽發射出來；流過太陽風，它們將氣體加熱到數百萬度，並將流速加速到每小時數百萬英里。Kasper 的發現證實離子迴旋加速波確實在活動，至少是在地球附近，Wind 探測器運作之處。

離子迴旋加速波所能做的事，比加熱與加速太陽風還要多，Kasper 提到。"它們亦造成太陽風某些非常奇怪的特性。"

太陽風並不像地球上的風。在地球上，大氣的風帶有氮、氧、水蒸氣以及其他東西；所有東西以相同速度移動且它們的溫度相同。然而，太陽風則奇怪多了。太陽風的化學元素，諸如氫、氦以及更重的離子，以不同速度吹拂；其溫度也不一樣；不過最奇怪的是，溫度會隨方向而改變。

"我們老早就在納悶，為何在太陽風內重元素的移動會比輕元素更快，而且溫度也更高，" Kasper 說。"這完全違反直覺。"

離子迴旋加速波理論解釋：重離子與離子迴旋加速波會產生良好的共振。與其較輕的相似物相較，當它們衝浪時，它們獲得更多能量與熱。

太陽風裡重離子的行為正是引起核融合研究者興趣的東西。Kasper 解釋："當你觀看地球上的核融合反應器時，一大挑戰之一是污染。從融合腔的金屬壁剝落的重離子會進入發生核融合的電漿中。重離子輻射熱。這會導致電漿冷卻到它停止了核融合反應。"

Kasper 在太陽風中所發現的離子迴旋加速波也許能提供一種逆轉此過程的方法。理論上來說，它們能用來加熱與／或移除重離子，將熱平衡恢復到融合電漿。

"我已獲邀至數場核融合研討會，談談關於我們所進行的太陽風研究，" 他表示。

下一步，Kasper 與 Szabo 坦承，會是找出在太陽大氣深處（太陽風從這裡開始它的旅程），離子迴旋加速波是否以相同方式運作。為了找出來， NASA 正計畫要送一艘太空船到太陽裡面。

「Solar Probe Plus」，預計在 2018 年發射，將盡量鑽入太陽大氣中，在那裡太陽比地球上所見還要大 23 倍。在最接近時，離太陽表面約 700 萬公里，Solar Probe Plus 必須忍受大於攝氏 1400 度的溫度，且要在先前太空船所未曾經歷過的輻射轟炸下存活。此任務的目標是，在太陽風的非常源頭之處，對太陽的電漿與磁場進行取樣。

"透過 Solar Probe Plus 我們將能利用比 Wind 太空船上，還要先進許多的感應器，進行特殊的離子迴旋加速波測試，" Kasper 說。"這應當能使我們對於太陽風的能源，有更加深入的了解。"

研究者在 February 28, 2013 發行的 Physical Review Letters 上，以Justin Kasper 等人撰寫的「Sensitive Test for Ion-Cyclotron Resonant Heating in the Solar Wind」為題，描述這個故事。

Wind 於 1994 年發射，它是這麼的古老，需要用類似像老式八軌錄音帶那樣的磁帶來記錄與重播其資料。配備厚重的防護罩與雙備援系統來抵禦故障，這艘太空船最後終於完成了；至少有一位 NASA 研究者稱之為太陽物理學（heliophysics）艦隊的「Battlestar Gallactica（太空堡壘喀拉狄加）」。Wind 在經歷幾乎快要二個完整的太陽週期（solar cycles）以及無數次的太陽閃燄（solar flares）後依然存活。

"在這些年之後，Wind 仍傳送優異的資料給我們，" Szabo 說，該任務的計畫科學家，"而且其燃料箱中的燃料仍可使它維持 60 年。"

※ 相關報導：

＊ Sensitive Test for Ion-Cyclotron Resonant Heating in the Solar Wind
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.091102

Justin C. Kasper, Bennett A. Maruca, Michael L. Stevens, and
Arnaud Zaslavsky
Phys. Rev. Lett. 110, 091102 (2013) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.110.091102
pacs: 96.60.P-, 52.30.Ex, 52.35.Mw

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