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太阳有多“烫”?这个探测器已经“触摸”到了它

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zxw88 发表于 2022-9-4 10:20:00 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
美苏冷战时期,美国人编造了大量抹黑苏联的“故事”,比如这则著名的“晚上去太阳”:
美国人登月成功后,勃列日涅夫当天就打电话给苏联宇航员……
“鉴于美国人已经在月球上登陆,现在苏联决定,马上派你们去太阳登陆。”勃列日涅夫说。
“您不知道吗,勃列日涅夫同志,我们会被烧死的。”宇航员大惊,哽咽道。
勃列日涅夫生气地说:“你以为政治局没有考虑过吗?我们已经决定,派你们晚上在太阳登陆!”
102001ili1mjs7bahlbl1h.jpg 在“苏联笑话”里经常被黑的老几位 (图片来源:IMRussia)
这个笑话流传甚广,至今仍被多次改动成为网络段子或相声台词,用来形容地位高、名气大却没有常识的人。
大家都知道,地球有白天黑夜之分,但不论白天还是黑夜,太阳都是一个无比灼热的大火球。至于登陆或者飞越?那简直是痴人说梦。
102002eqcxvr6jp10x9wp6.jpg 动图:地球自转与昼夜交替 (图片来源:vjshi.com)
但是随着科学的发展,登陆太阳的笑话却成为了现实。
据报道,2021年12月14日,美国国家航空航天局(NASA)科学任务理事会副局长托马斯·祖布钦在新奥尔良举行的“2021年美国地球物理联盟秋季会议”上宣布,人类发射的“帕克”太阳探测器(Parker Solar Probe,简称PSP),在发射三年后,于2021年4月成功穿过太阳大气的最外层(日冕),成为首个“接触”太阳的航天器
虽然此次初体验只持续了几个小时,但它开启了人类“接触”太阳的篇章,PSP将在未来7年的时间里进行21次近距离接近太阳的飞行。
登陆太阳,你要承受多高的温度?

我们常听说,“太阳表面的温度大约有6000度”,这数据哪儿来的?是有人去测过吗?其实这个温度主要来自科学家们对太阳辐射的分析。
太阳的表面被称为“光球层”,我们肉眼看见的太阳可见光就是从这里发射出来的。除可见光外,光球层还在全波段发射不同频率的辐射,如紫外线、X射线等。
科学家对每个频率辐射的强度进行分析,发现有的频率辐射强、有的频率辐射弱,与大约6000度(准确的说是5700开尔文温度,大约5500度)的黑体释放的辐射强弱分布非常相似,所以得出了“太阳表面温度大约6000度”的结论。
不过,“帕克”探测器所穿过的并不是太阳表面,而是日冕,那里可比表面的6000度热多了。
太阳大气从内到外主要分为光球层、色球层、过渡区和日冕,温度随高度发生变化。下图的曲线就是太阳大气高度从低到高的温度变化曲线,从表面的几千度到几万度,再到日冕的上百万开尔文温度,太阳大气从里向外的温度越来越高。
102002q3zb8bumm9ujxs8w.jpg 太阳大气从内向外的温度,蓝色的Corona是指日冕,温度可达上百万卡尔文温度(与摄氏度相差273度) 来源NASA
因此,“帕克”太阳探测器虽然是在太阳最外层的区域,但反而处于温度较高的地方。
不过,太阳周围“等离子体”的“温度”,跟我们日常接触冷暖的经验,并不完全一样。在宇宙空间中的某个区域,它的温度可以在达到几千度的同时又不给其他物体提供显著的热量。
也就是说,身处其中我们却不觉得热。这是为什么呢?
在解释这个问题前我们需要知道,物质由小到看不见的微粒——分子和原子构成,所谓温度,其实是衡量构成物质的微粒的运动速度,而热量,衡量的则是物质间传递的能量总量。粒子可能移动得很快(高温度),但是如果数量极少的话,它们就不会传递大量的能量(低热量)。
由于宇宙空间大多是空的,像日冕这样的地方其实物质密度极低,能够直接传递的热量并不会很高。在太阳周围,更容易让探测器变热的,是太阳庞大的辐射。就像我们晒太阳觉得暖和一样,以可见光为代表的太阳辐射,会把许多能量传递给照射到的物体。
因此,虽然“帕克”太阳探测器穿越了一个温度达几百万度的日冕空间,但根据科学家的计算,探测器面向太阳那一面的隔热屏表面只能被加热到约1400摄氏度(华氏2500度)。当然这个温度也已经非常高了,比如火山喷发的岩浆温度大概是700-1200摄氏度,而铁的熔点则是1538摄氏度,堪堪在融化边缘。
飞越太阳大冒险,装备怎么选?

在1400度的高温下,即使探测器不被融化,里面的精密设备也难以正常工作“帕克”太阳探测器是怎么做到成功穿越太阳日冕,甚至进行科学探测的呢?
这其实是因为科学家们给“帕克”太阳探测器“穿”了一件热防护罩(heat shield)。这个热防护罩由厚度为11.43厘米(4.5英寸)的碳复合防护层构成,上面还涂有白色陶瓷层,可以使它尽可能多地反射以太阳光为首的太阳辐射。
热防护罩被设计在探测器朝向太阳的一侧,位于用钛框架构造的大型散热器的顶部。在航天器飞往太阳表面的过程中,这种结构使太空船的有效载荷始终处在阴凉黑暗的阴影中。
102002xy177ev3v6m99xem.jpg 工作人员安装热防护罩 (图片来源:NASA)
按照科学家的估计,虽然外层面临1400摄氏度的温度,但由于保护罩的作用,“帕克”太阳探测器在任务后期最接近太阳表面时,防护层底面的温度可维持在315-371摄氏度。这个温度大约是铅的熔点,距离铝的熔点660摄氏度还差得远。
实际上,设计这艘飞船的科学家和工程师更担心的是背阳面没有太阳辐射可能会太冷,航天器上的科学仪器和设备在任务期间非但不会融化,反而有可能冻结。
为了避免走向过冷冻结的极端,“帕克”探测器携带的这些仪器和设备的外部都用热毯包裹,并与单独的太阳能加热器配对。简单地说,这些仪器也跟我们过冬一样盖上电热毯啦!这可以使它们工作环境的温度保持在28摄氏度左右。
不管加热还是制冷,“帕克”探测器都需要电力作为动力,并为探测器搭载的仪器以及其他电子设备供电。而近距离的太阳正是它的“生命之源”。探测器发电使用的太阳能电池板被安装在从散热器下方伸出的翼状襟翼上,不仅可以处理太阳的热量,还配备有自己的冷却系统,能够源源不断地为“帕克”探测器提供电力。
102002p2i3vvvhh28444zu.jpg 帕克太阳探测器设计外观,正面白色的板子就是热防护罩 (图片来源:NASA)
回到咱们本文的开头——“晚上去太阳”之所以成为一个笑话,是因为讲笑话的大众早已认知到太阳无比炙热,并且认知到昼夜是因为地球绕太阳自转造成,太阳不会因为进入夜晚而变冷。
稍作思考就会发现,大众的认知是随着科学家的探索和研究不断拓展而随之提升的,正是由于以学者尤金・帕克(Eugene Parker)为首的科学家们对太阳不断的研究,才有今天我们对此的了解。在本文介绍的技术的支持下,“飞越太阳”正在成为现实,并且能带给我们对太阳更多的认识,极大地拓展人类对太阳物理的理解和重构。
今天,“帕克”探测器去近距离接触太阳,所带回的珍贵信息,就会成为大众明天的“三岁小孩都知道的常识”。相信在不远的将来,“帕克”太阳探测器会为我们带来更多太阳的奥秘,完成更多看似“不可能”的任务。
而继“帕克”探测器之后,还有许多新的探测器正在为人类探日出一份力,例如中国的“羲和”探测器和今年要发射的先进天基太阳天文台(ASO-S),还有NASA的MUSE和HelioSwarm任务,都是观测太阳的航天器。就让我们一起拭目以待吧!
参考文献:
[1] Parker Solar Probe Completes a Record-Setting Swing by the Sun, https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/
[2] Parker Solar Probe’s Heat Shield Enters Thermal Vacuum Testing, https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2017/12/
[3] The Parker Solar Probe Mission, https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2018/08/11/the-parker-solar-probe-mission/
102002rj0tje6jj0h9onti.jpg
出品:科普中国
作者:铮铮有声
监制:中国科学院计算机网络信息中心

转自今日头条优质自媒体
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