太陽(yáng)有多“燙”？ 這個(gè)探測(cè)器已經(jīng)“觸摸”到了它

美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)人編造了大量抹黑蘇聯(lián)的“故事”，比如這則著名的“晚上去太陽(yáng)”：

美國(guó)人登月成功后，勃列日涅夫當(dāng)天就打電話給蘇聯(lián)宇航員……

“鑒于美國(guó)人已經(jīng)在月球上登陸，現(xiàn)在蘇聯(lián)決定，馬上派你們?nèi)ヌ?yáng)登陸?！辈腥漳蛘f(shuō)。

“您不知道嗎，勃列日涅夫同志，我們會(huì)被燒死的?！庇詈絾T大驚，哽咽道。

勃列日涅夫生氣地說(shuō)：“你以為政治局沒有考慮過(guò)嗎？我們已經(jīng)決定，派你們晚上在太陽(yáng)登陸！”

在“蘇聯(lián)笑話”里經(jīng)常被黑的老幾位

（圖片來(lái)源：IMRussia）

這個(gè)笑話流傳甚廣，至今仍被多次改動(dòng)成為網(wǎng)絡(luò)段子或相聲臺(tái)詞，用來(lái)形容地位高、名氣大卻沒有常識(shí)的人。

大家都知道，地球有白天黑夜之分，但不論白天還是黑夜，太陽(yáng)都是一個(gè)無(wú)比灼熱的大火球。至于登陸或者飛越？那簡(jiǎn)直是癡人說(shuō)夢(mèng)。

動(dòng)圖：地球自轉(zhuǎn)與晝夜交替

（圖片來(lái)源：vjshi.com）

但是隨著科學(xué)的發(fā)展，登陸太陽(yáng)的笑話卻成為了現(xiàn)實(shí)。

據(jù)報(bào)道，2021年12月14日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）科學(xué)任務(wù)理事會(huì)副局長(zhǎng)托馬斯·祖布?xì)J在新奧爾良舉行的“2021年美國(guó)地球物理聯(lián)盟秋季會(huì)議”上宣布，人類發(fā)射的“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器（Parker Solar Probe，簡(jiǎn)稱PSP），在發(fā)射三年后，于2021年4月成功穿過(guò)太陽(yáng)大氣的最外層（日冕），成為首個(gè)“接觸”太陽(yáng)的航天器。

雖然此次初體驗(yàn)只持續(xù)了幾個(gè)小時(shí)，但它開啟了人類“接觸”太陽(yáng)的篇章，PSP將在未來(lái)7年的時(shí)間里進(jìn)行21次近距離接近太陽(yáng)的飛行。

登陸太陽(yáng)，你要承受多高的溫度？

我們常聽說(shuō)，“太陽(yáng)表面的溫度大約有6000度”，這數(shù)據(jù)哪兒來(lái)的？是有人去測(cè)過(guò)嗎？其實(shí)這個(gè)溫度主要來(lái)自科學(xué)家們對(duì)太陽(yáng)輻射的分析。

太陽(yáng)的表面被稱為“光球?qū)印?，我們?nèi)庋劭匆姷奶?yáng)可見光就是從這里發(fā)射出來(lái)的。除可見光外，光球?qū)舆€在全波段發(fā)射不同頻率的輻射，如紫外線、X射線等。

科學(xué)家對(duì)每個(gè)頻率輻射的強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有的頻率輻射強(qiáng)、有的頻率輻射弱，與大約6000度（準(zhǔn)確的說(shuō)是5700開爾文溫度，大約5500度）的黑體釋放的輻射強(qiáng)弱分布非常相似，所以得出了“太陽(yáng)表面溫度大約6000度”的結(jié)論。

不過(guò)，“帕克”探測(cè)器所穿過(guò)的并不是太陽(yáng)表面，而是日冕，那里可比表面的6000度熱多了。

太陽(yáng)大氣從內(nèi)到外主要分為光球?qū)?、色球?qū)?、過(guò)渡區(qū)和日冕，溫度隨高度發(fā)生變化。下圖的曲線就是太陽(yáng)大氣高度從低到高的溫度變化曲線，從表面的幾千度到幾萬(wàn)度，再到日冕的上百萬(wàn)開爾文溫度，太陽(yáng)大氣從里向外的溫度越來(lái)越高。

太陽(yáng)大氣從內(nèi)向外的溫度，藍(lán)色的Corona指的是日冕，溫度可達(dá)上百萬(wàn)卡爾文溫度（與攝氏度相差273度）

（圖片來(lái)源：NASA）

因此，“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器雖然是在太陽(yáng)最外層的區(qū)域，但反而處于溫度較高的地方。

不過(guò)，太陽(yáng)周圍“等離子體”的“溫度”，跟我們?nèi)粘＝佑|冷暖的經(jīng)驗(yàn)，并不完全一樣。在宇宙空間中的某個(gè)區(qū)域，它的溫度可以在達(dá)到幾千度的同時(shí)又不給其他物體提供顯著的熱量。

也就是說(shuō)，身處其中我們卻不覺得熱。這是為什么呢？

在解釋這個(gè)問(wèn)題前我們需要知道，物質(zhì)由小到看不見的微粒——分子和原子構(gòu)成，所謂溫度，其實(shí)是衡量構(gòu)成物質(zhì)的微粒的運(yùn)動(dòng)速度，而熱量，衡量的則是物質(zhì)間傳遞的能量總量。粒子可能移動(dòng)得很快（高溫度），但是如果數(shù)量極少的話，它們就不會(huì)傳遞大量的能量（低熱量）。

由于宇宙空間大多是空的，像日冕這樣的地方其實(shí)物質(zhì)密度極低，能夠直接傳遞的熱量并不會(huì)很高。在太陽(yáng)周圍，更容易讓探測(cè)器變熱的，是太陽(yáng)龐大的輻射。就像我們曬太陽(yáng)覺得暖和一樣，以可見光為代表的太陽(yáng)輻射，會(huì)把許多能量傳遞給照射到的物體。

因此，雖然“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器穿越了一個(gè)溫度達(dá)幾百萬(wàn)度的日冕空間，但根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，探測(cè)器面向太陽(yáng)那一面的隔熱屏表面只能被加熱到約1400攝氏度（華氏2500度）。當(dāng)然這個(gè)溫度也已經(jīng)非常高了，比如火山噴發(fā)的巖漿溫度大概是700-1200攝氏度，而鐵的熔點(diǎn)則是1538攝氏度，堪堪在融化邊緣。

飛越太陽(yáng)大冒險(xiǎn)，裝備怎么選？

在1400度的高溫下，即使探測(cè)器不被融化，里面的精密設(shè)備也難以正常工作。“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器是怎么做到成功穿越太陽(yáng)日冕，甚至進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的呢？

這其實(shí)是因?yàn)榭茖W(xué)家們給“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器“穿”了一件熱防護(hù)罩（heat shield）。這個(gè)熱防護(hù)罩由厚度為11.43厘米（4.5英寸）的碳復(fù)合防護(hù)層構(gòu)成，上面還涂有白色陶瓷層，可以使它盡可能多地反射以太陽(yáng)光為首的太陽(yáng)輻射。

熱防護(hù)罩被設(shè)計(jì)在探測(cè)器朝向太陽(yáng)的一側(cè)，位于用鈦框架構(gòu)造的大型散熱器的頂部。在航天器飛往太陽(yáng)表面的過(guò)程中，這種結(jié)構(gòu)使太空船的有效載荷始終處在陰涼黑暗的陰影中。

工作人員安裝熱防護(hù)罩

（圖片來(lái)源：NASA）

按照科學(xué)家的估計(jì)，雖然外層面臨1400攝氏度的溫度，但由于保護(hù)罩的作用，“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器在任務(wù)后期最接近太陽(yáng)表面時(shí)，防護(hù)層底面的溫度可維持在315-371攝氏度。這個(gè)溫度大約是鉛的熔點(diǎn)，距離鋁的熔點(diǎn)660攝氏度還差得遠(yuǎn)。

實(shí)際上，設(shè)計(jì)這艘飛船的科學(xué)家和工程師更擔(dān)心的是背陽(yáng)面沒有太陽(yáng)輻射可能會(huì)太冷，航天器上的科學(xué)儀器和設(shè)備在任務(wù)期間非但不會(huì)融化，反而有可能凍結(jié)。

為了避免走向過(guò)冷凍結(jié)的極端，“帕克”探測(cè)器攜帶的這些儀器和設(shè)備的外部都用熱毯包裹，并與單獨(dú)的太陽(yáng)能加熱器配對(duì)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這些儀器也跟我們過(guò)冬一樣蓋上電熱毯啦！這可以使它們工作環(huán)境的溫度保持在28攝氏度左右。

不管加熱還是制冷，“帕克”探測(cè)器都需要電力作為動(dòng)力，并為探測(cè)器搭載的儀器以及其他電子設(shè)備供電。而近距離的太陽(yáng)正是它的“生命之源”。探測(cè)器發(fā)電使用的太陽(yáng)能電池板被安裝在從散熱器下方伸出的翼狀襟翼上，不僅可以處理太陽(yáng)的熱量，還配備有自己的冷卻系統(tǒng)，能夠源源不斷地為“帕克”探測(cè)器提供電力。

帕克太陽(yáng)探測(cè)器設(shè)計(jì)外觀，正面白色的板子就是熱防護(hù)罩

（圖片來(lái)源：NASA）

回到咱們本文的開頭——“晚上去太陽(yáng)”之所以成為一個(gè)笑話，是因?yàn)橹v笑話的大眾早已認(rèn)知到太陽(yáng)無(wú)比炙熱，并且認(rèn)知到晝夜是因?yàn)榈厍蚶@太陽(yáng)自轉(zhuǎn)造成，太陽(yáng)不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入夜晚而變冷。

稍作思考就會(huì)發(fā)現(xiàn)，大眾的認(rèn)知是隨著科學(xué)家的探索和研究不斷拓展而隨之提升的，正是由于以學(xué)者尤金?帕克（Eugene Parker）為首的科學(xué)家們對(duì)太陽(yáng)不斷的研究，才有今天我們對(duì)此的了解。在本文介紹的技術(shù)的支持下，“飛越太陽(yáng)”正在成為現(xiàn)實(shí)，并且能帶給我們對(duì)太陽(yáng)更多的認(rèn)識(shí)，極大地拓展人類對(duì)太陽(yáng)物理的理解和重構(gòu)。

今天，“帕克”探測(cè)器去近距離接觸太陽(yáng)，所帶回的珍貴信息，就會(huì)成為大眾明天的“三歲小孩都知道的常識(shí)”。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器會(huì)為我們帶來(lái)更多太陽(yáng)的奧秘，完成更多看似“不可能”的任務(wù)。

而繼“帕克”探測(cè)器之后，還有許多新的探測(cè)器正在為人類探日出一份力，例如中國(guó)的“羲和”探測(cè)器和今年要發(fā)射的先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（ASO-S），還有NASA的MUSE和HelioSwarm任務(wù)，都是觀測(cè)太陽(yáng)的航天器。就讓我們一起拭目以待吧！

參考文獻(xiàn)：

[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/

出品：科普中國(guó)

作者：錚錚有聲

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