答：宇宙中也有鋒線嗎？

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

空少問答

小課堂

第八十一期

7

月

16

日

周

一

答：宇宙中也有「鋒線」嗎？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：宇宙中也有「鋒線」嗎？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們類比足球的「鋒線」，講到了自然界的、氣象的「鋒線」。大氣中的鋒線是冷暖氣團相遇時的交界面與地面相交的線，鋒是大氣中氣象要素（密度、溫度等）的不連續面。我們上一期以它為例，也是想進一步引出我們本期的話題——宇宙中等離子體的物理參量不連續面、宇宙中的「鋒線」。我們在問題篇提到，地球磁層前邊的「弓激波」、太陽風的邊界區都可算是這樣的區域。那麼，它們這些宇宙中的「鋒線」是什麼樣的呢？

之前我們曾在空少課堂中講到，太陽風離開太陽後還會加速，在地球附近速度已經超過了等離子體的聲速，也就是說其中發生的擾動還不如太陽風飛的快，然而地球相比之下就像河流中的石頭，有自己的磁場和等離子體組成的磁層能夠阻擋太陽風，於是高速的太陽風就像撞牆了一樣，在磁層附近的地方速度等物理參量要發生明顯變化，這種變化剛才說了在太陽風裡傳播的不夠快，就會形成物理參量（溫度、速度、磁場等）不連續的間斷面，這就是所謂的激波。激波這種自然現象，在超音速飛機旁邊可以觀察到，還會聽到巨大的「音爆」。

超音速飛機與激波

在地球前方，就存在這樣的激波，就好像地球磁層的「後衛線」一樣，也好像太陽風向地球入侵的「鋒線」一樣，因為在二維圖上是弓的形狀，被稱為「弓激波」（Bow Shock）。理想氣體的激波沒有厚度，是數學意義的不連續面，但實際氣體、等離子體等有粘性和傳熱性等物理性質，它們使激波成為連續式的，不過其過程仍十分急驟，因此實際激波是有厚度的。地球的弓形激波距離地球大約9萬公里，厚度大約只有17公里。

太陽風遭遇地球磁層時形成的弓激波（Bow Shock），紅色圓圈標識的是歐空局的Cluster衛星，它可以穿越並探測弓激波

上圖中的衛星探測到弓激波區域等離子體密度急劇變化，虛線顯示了弓激波區域的厚度。

而從地球再往遠方，太陽風總有自己的盡頭。就好像冷熱空氣團相遇、或者太陽風與地球磁層相遇一樣，太陽風與銀河系的其他行星際物質相遇也會有一個交界面。來自我們這個太陽的太陽風遭遇到星際介質而停滯的邊界叫做日球層頂（Heliopause），也稱為太陽風層頂，它的半徑為120個天文單位（天文單位指的是地球到太陽的距離，符號為AU），厚度0.5個天文單位，距離和厚度是由「旅行者」號飛船飛越時探測出來的。在它身後，我們把太陽和太陽風影響的區域叫做日球層（Heliosphere），是如下圖氣泡形狀的區域，和我們的磁層類似。

如下圖所示，和地球磁層前邊的弓激波類似，太陽風粒子經歷從超音速減低到亞音速的過程，減速區域稱為日鞘（Heliosheath），日鞘向太陽系內側的激波稱為終端激波（TerminationShock），外層是我們剛才說的日球層頂，日球層頂之外仍然有弓形激波（Bow Shock）。圖上還示意了當年「旅行者號」（Voyager）兩個探測器的位置。太陽的弓形激波被認為可能是在距離太陽230個天文單位，目前一些研究認為它不存在，另一些研究依然堅持它應該存在，例如太空望遠鏡曾觀測到其他恆星的弓激波。

2012年5月，旅行者1號探測到銀河宇宙線在一個月之內上升了9%，這個上升是從2009年1月至2012年1月之間緩慢上升25%之後快速上升的，美國NASA科學家認為可能這裡就是日球層頂。後來NASA宣布旅行者1號在2012年8月25日正式穿越了日球層頂，其距離為121個天文單位（180億公里）。與預測相反的是，旅行者1號發現來自銀河系的磁場是沿著太陽磁場相同方向的。

留言區·精選

@ 霸凌侯爺

宇宙浩瀚，星辰密布，各種射線、力場錯綜複雜。期間必有「交鋒」，既有「交鋒」必有「鋒線」。。。太陽風與地球磁場的交鋒不過是其中一例而已。。。這些「鋒」或因自身質量，或來自自身磁場，亦或來自自身膨脹與坍塌。。。如同丸子火鍋里的各種丸子，隨有葷有素有輕有重，但同在一個鍋里，互相必有影響。放入一個或夾出一個來，湯料必因此流動。。。這個動能便來自「交鋒」。

感謝大家的支持，我們下期再見！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！