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距離太陽表面僅800萬公裏,探測器拍到奇幻影像,重新整理人類的認知

2024-04-25科學

在眾多被人類送入外太空的探測器中,「帕克」以其驚人的速度脫穎而出,峰值時接近每秒200公裏,可謂速度之王。其如此高速的原因在於,它是一個專為近距離觀測太陽而設計的探測器。在飛往太陽的旅途中,太陽的重力不斷為其加速,使其速度不斷提升。

一般觀念認為,將探測器送往太陽應該輕而易舉,畢竟太陽的重力非常強大,只需將探測器送入太空,太陽的重力自然會將其「牽引」過去。然而,實際情況並非如此簡單。從地球發射的探測器,本身就帶有地球的公轉速度,這意味著探測器本身也在圍繞太陽旋轉。在這種情況下,太陽對探測器的重力實際上起到了向心力的作用,而不是直接將其「吸引」過去。因此,將探測器送往太陽的任務遠比想象中要復雜。

當前的科技能力使探測器只能在太陽周圍沿橢圓軌域執行。為了使其接近太陽表面,我們需要降低其速度。一個有效策略是利用行星的「重力彈弓」效應。透過精心計算和設計,探測器可以借助行星的重力來改變其軌域和速度,從而逐步接近太陽的近日點。這種方法既經濟又高效,是實作探測器靠近太陽表面目標的重要手段。

帕克探測器自2018年8月12日發射以來,便透過金星「重力彈弓」多次減速,使其軌域的近日點逐漸向太陽表面靠近。這種獨特的減速方法確保了探測器能夠成功接近太陽,完成預定的探測任務。

2021年4月,帕克探測器成功穿越了太陽大氣的最外層——日冕,從而成為了人類歷史上第一個與太陽直接「對話」的探測器。

至今,帕克探測器已傳回豐富的觀測數據,極大地加深了我們對太陽的了解。最近的研究表明,帕克探測器在一次穿越日冕拋射物的過程中,捕捉到了令人驚嘆的影像。

對於這個巨大的旋渦狀結構,科學家經過深入研究後認為,它屬於「克耳文-亥姆霍茲不穩定性」現象,英文簡稱「KHI」。這種現象被命名為「Kelvin–Helmholtz instability」。

"KHI"是流體動力學中的一種現象,表現為兩層流速不同的流體在接觸界面上產生的波動和不穩定性。這種現象源於流體間速度差異引起的交互作用,導致界面波動,進而影響整體流體穩定性。

"KHI"現象在生活中相當普遍。舉例來說,當風掠過水面,因空氣與水的流速差異,兩者的接觸界面便會產生"KHI",從而形成了我們常見的風浪。此外,當風穿過雲層時,類似的現象也可能發生,形成波浪狀的雲朵。這些都是"KHI"在不同環境中的表現。

要明白的是,太陽在持續發光發熱的過程中,會不斷向各個方向釋放大量的高速帶電粒子流,這被稱為「太陽風」。同時,日冕拋射物由大量電漿物質構成,從這一角度看,「太陽風」和日冕拋射物均可被視為流體。

科學家指出,當兩種流體間的速度差異顯著並持續足夠長的時間,接觸界面上產生的「KHI」波動會逐漸加強,使界面穩定性降低,最終可能形成旋渦。

合理的推測是,當日冕拋射物與「太陽風」速度不同時,可能引發「KHI」現象。在特定條件下(速度差異顯著且持續時間長),會形成巨大的旋渦狀結構。這很可能就是帕克探測器所捕捉到的奇異影像背後的原理。

帕克探測器預計將在2024年11月再次飛越金星,利用金星的重力彈弓,進一步降低其軌域近日點的高度。預計在2025年,其軌域的近日點將距離太陽表面約9.5個太陽半徑。期待帕克探測器在未來的探索中能夠帶來更多驚人的發現。