类似于地球的风雨雷电，太阳也有自己的“天气变化”。每隔11年左右，太阳向外释放的能量就会达到一个巅峰，在近地空间引起地磁暴、电离层扰动等现象，影响人类生活和地球气候变化。因此，太阳物理学家们希望能预报太阳活动，在太阳剧烈活动前做好应对。
要想了解太阳的活动，一个重要的观测对象就是太阳风。去年8月，美国国家航空航天局（NASA）发射了“帕克”太阳探测器，在超近距离下观测了太阳风，首批研究成果被总结成4篇论文，于今年12月4日在顶级科学期刊《自然》（Nature）杂志发表。来看看，太阳上的天气什么样？
01什么是太阳风？
不同于地球上的风，太阳风仅是一种形象的叫法。美国物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）最先根据理论预言太阳会喷出带电粒子流，并将其称为太阳风。到1959年，前苏联人造卫星“月球一号”首次观测证实了太阳风的存在。
为理解太阳风是怎样形成的，首先需要了解太阳大气的分层情况。如图2所示，太阳的结构分为六层，从内到外依次是：日核、辐射区、对流层、光球层、色球层和日冕。最内的三层构成了太阳的内部结构，最外的三层则组成了太阳大气。其中，人类用肉眼看到的太阳表面就是光球层，这里发出的可见光最强；只有发生日全食，日面可见光被月球遮挡时，人类才可以直接看到日冕，这里就是太阳风诞生的地方。
图1: 太阳结构示意图。图片来源：Universityof Oregon
日冕是一片由稀薄的等离子体构成的厚达几百万公里的广袤区域，其温度可高达110万摄氏度，比光球层高3个数量级，其密度比光球层低7个数量级。
日冕并不是均匀的，通过X射线或极紫外线波段拍摄的照片，可以看到日冕中存在着大片电磁辐射、温度和密度都比周围小得多的神秘暗区，从表观上看就像日冕上的一些洞，科学家们将其形象的称之为冕洞。
冕洞是太阳磁场的开放区域，这里的磁力线一端扎根在太阳表面，另一端则向宇宙空间扩散，大量的等离子体顺着磁力线跑出去，形成高速运动的以质子和粒子为主的带电粒子流，席卷整个太阳系。这种高速运动的带电粒子流也就是我们所说的太阳风。
02当太阳风吹向地球
太阳风到达地球轨道附近时速度却可达每秒数百公里以上，约是地表八级大风的两万倍。这么强的风，为什么我们没有感觉到它的存在呢？首先，太阳风非常“稀薄”，粒子密度较小，它在地球附近产生的动压远远小于地表的微风；其次，地磁场也会帮助我们“屏蔽”绝大部分的太阳风。在地球的两极，少量“漏网”的高能带电粒子会沿着地球磁力线冲向地球，它们在两极的上层大气中放电，产生绚丽壮观的极光。
图2 :极地地区的极光。
但有的时候，太阳上也会发生“风暴”，进而波及地球。在太阳活动剧烈时期，日冕上大尺度的磁场平衡会遭到破坏，发生日冕物质抛射（coronal mass ejection，CMS）。这时候的太阳风具有更高的风速、更高的粒子密度，以及持续的南向行星际磁场，从而可在近地空间引发地磁暴和电离层扰动，造成通讯卫星失灵、高纬区电网失效和短波通讯、长波导航质量下降，对人类的日常生活、科研观测甚至军事行动造成干扰，甚至还可能影响地球气候变化。
如果可以提前知晓太阳活动变化，就可以及时地关闭电网和卫星系统，把损失降到最小。而为了更好地预报太阳活动，物理学家们首先要搞清楚太阳风的起源及其加热、加速机制。
03到离太阳最近的地方去
2018年8月12日，NASA在美国卡纳维拉尔角空军基地发射了耗资15亿美元的“帕克”太阳探测器（Parker Solar Probe），对太阳进行前所未有的近距离观察。目前，“帕克”已利用尖端的科学仪器对太阳进行了3次近距离观测。
图3: 帕克探测器绕太阳运动概念图
慢太阳风的起源是太阳物理研究中的一个重要问题。此前学界已确认速度在每秒450 ~ 850公里的快速太阳风产生于冕洞之中，然而对于速度在每秒250 ~ 450公里的慢速太阳风的来源，尚未形成统一意见。有些学者认为快速太阳风产生于冕洞中心，慢速太阳风产生于冕洞边缘；也有些学者认为慢速太阳风产生于闭合磁力线和开放磁力线的角色转换。而“帕克”的测量数据表明，慢速太阳风可能是从太阳赤道附近的一个小冕洞中流出的[1]。
冕洞底部的等离子体流速仅为每秒16公里左右，它们是怎么被加速到超音速并逃离太阳磁场的禁锢成为太阳风的？“帕克”的测量数据表明这可能是因为太阳磁场的反转而与之对应的阿尔芬波动。当太阳风沿太阳磁场线向外扩散时，若磁场线偶尔会连续出现180度的快速反转，太阳风会在数秒至数个小时内呈现波动的运动特征 [2]。
图4:帕克探测器观测到太阳磁场线反转概念图
此外，“帕克”的观测结果还部分验证了对太阳周围无尘区的猜想。科学家们很早就观测到太空中有很多尘埃，这些尘埃是小行星或彗星的残骸。有理论预言在靠近太阳的地方，尘埃会被热浪蒸发，从而在太阳周围形成一个无尘区域，但它从未被观测到。“帕克”传回的图像显示，在距太阳约700万英里的地方尘埃开始变少，这种减少的趋势一直持续到当前的探测极限（距太阳约400万英里处）[3]。科学家们估计若无尘区真的存在的话，PSP最早可在2020年探测到它。
图7: 帕克探测器观测到的宇宙尘埃概念图
04PSP的下一步计划
为什么要在如此靠近太阳的地方研究太阳风呢？加州大学伯克利分校的等离子体物理学家斯图尔特·贝尔（Stuart Bale）说：“虽然科学家们也可以在太阳风席卷地球时研究它，但这样做就像是在瀑布的下游研究瀑布的源头。想要知道瀑布的源头在哪、长什么样，只有一点点溯流而上。”
直到2025年任务结束时，“帕克”还将对太阳进行24次超近距离观测，最近距离将只有目前的三分之一。相信未来还会有更丰富、更让人激动的观测数据传来，帮助我们更好地预测太阳活动。
