日冕温度高达100万℃，帕克太阳探测器为何没被融化还能拍照？

太阳是我们生命的源泉，也是我们人类探索宇宙的一扇窗口。太阳的大气层由里到外分为光球层、色球层和日冕层。其中，日冕层是最外面也最热的一层，温度高达100万摄氏度，甚至有些地方达到了1000万摄氏度，任何靠近它的物体都会被瞬间汽化，而且有意思的是这个温度比太阳表面的温度要高出几百倍。这个奇怪的现象一直困扰着科学家们，因为按照常理，离太阳中心越远，温度应该越低才对。

日冕层是太阳大气的最外层，厚度达到几百万公里以上。它是由高温高能的等离子体组成，主要由氢、氦和一些重元素构成。日冕层的温度虽然比太阳表面的温度（约6000摄氏度）高出了几百倍。但是，它的密度却非常低，大约是光球层密度的10^-12倍，因此它发出的可见光非常微弱，只有在日全食期间才能看到。日冕层温度之谜是太阳物理学中一个重要而未解决的问题。为什么日冕层会比光球层热得多？这意味着会有什么机制在不断地给日冕层输送能量，才使其加热到如此高温。科学家们提出了许多假说和理论，但都没有得到确凿的证据和普遍的认可。目前，最有可能的机制是与太阳磁场和磁流体力学有关。

太阳的磁场是由太阳内部的等离子体流动产生的。由于太阳不是刚性旋转，而是赤道旋转速度比极区快，所以磁场会随着时间变化，并且在不同纬度形成不同的结构和模式。这些磁场线穿过太阳表面，连接不同极性的磁极点，并延伸到日冕层中，它们可以束缚和引导日冕层中的等离子体运动，而影响其温度和密度。

一种可能的机制是纳米闪焰加热。纳米闪焰是指在太阳表面发生的微小、频繁、难以观测到的闪焰事件。它们是由于太阳磁场不断地扭曲、重联、断裂而产生的能量释放过程。每一个纳米闪焰都只能产生很少的能量，但是它们数量众多，累积起来就可以对日冕层产生显著的加热效果。

另一种可能的机制是波动加热。波动加热是指由于太阳内部对流层和光球层中不稳定和湍流运动而产生的声波、磁波、阿尔芬波等波动向上传播，到达日冕层时被部分反射、部分透射、部分耗散。这些波动在日冕层中的耗散会将能量转化为热能，从而加热日冕层。

为了解开日冕层温度之谜，以及探索太阳大气层和太阳风的其他奥秘，美国国家航空航天局（NASA）于2018年发射了帕克太阳探测器，这是人类历史上第一次向太阳发射探测器，也是最接近太阳的探测器。帕克太阳探测器的主要科学目标是追踪能量和热量是如何通过日冕移动的，以及探索是什么加速了太阳风和太阳高能粒子。

帕克太阳探测器将飞到离太阳足够近的地方，观察太阳风从亚音速到超音速的速度，它也会飞过最高能量的太阳粒子的诞生地。它采用了多次飞掠金星借助其引力助推来逐渐减少其轨道的近日点，以达到最终距离太阳表面8.5个太阳半径（约640万公里）的轨道上。在这个距离上，帕克太阳探测器将经历约1300万摄氏度的高温，并以每小时58.68万公里（约0.05%光速）的速度飞行。这些都是人类航天史上前所未有的极限挑战。

终于在2021年12月14日，NASA宣布了一个令人震惊的消息：帕克太阳探测器正在首次穿越日冕层中，成为人类历史上第一次“接触”太阳的航天器。这是太阳科学的一个重大突破，也是人类探索宇宙的一个伟大壮举。

帕克太阳探测器在穿越日冕层时，要面对高达1300万摄氏度的极端高温，这比铁的熔点高出近3000倍。任何靠近它的物体都会被瞬间汽化，那么帕克太阳探测器是如何做到不被融化还成功给太阳拍照的呢？

答案是，帕克太阳探测器利用了一个精心设计的防热系统，包括一个巨大的碳复合材料防护罩、一个主动冷却系统和一个精密的姿态控制系统。

防护罩是帕克太阳探测器的核心部件，它由11.43厘米厚的碳复合材料制成，直径约为2.4米，重量约为72.5公斤。防护罩可以抵挡高达1400摄氏度的温度，并将其反射到空间中，使得防护罩后面的仪器和探测器保持在30摄氏度左右的温度。防护罩上还涂有一层白色陶瓷涂层，用于提高反射率和降低辐射吸收。

主动冷却系统则是帕克太阳探测器的另一个关键部件，它由一套水循环系统组成，可以将防护罩后面产生的多余热量通过散热板排放到空间中。水循环系统包括一台泵、一台蒸发器、一台冷凝器和一台膨胀器，以及一系列管道和传感器。水循环系统可以调节水流量和压力，以适应不同的温度条件。

而姿态控制系统是帕克太阳探测器的最后一道防线，它由一套推进器、陀螺仪、星敏感器和软件组成，可以实时监测和调整探测器的姿态和轨道，确保防护罩始终对准太阳，并避免任何部件暴露在日冕层中。姿态控制系统还可以根据飞行计划执行轨道修正和科学观测任务。

借助这三个部件的协同作用，帕克太阳探测器能够在日冕层中安全地飞行，并收集到前所未有的数据和图像。此外，帕克探测器还有一个高增益天线，可以在极端温度下与地球通信，并传输大量数据。

帕克太阳探测器在穿越日冕层时，携带了四套科学仪器，分别是：太阳风电子、阿尔芬波和离子套件、太阳探测杯、太阳能粒子探测器套件、太阳磁场探测器套件及广角成像光谱仪套件，它们各自都有着不同的任务和作用。

通过这些仪器，帕克太阳探测器已经给我们带来了一些惊人的新发现，例如：

它首次观测到了日冕层中的“冰雹”现象，即一些高速运动的等离子体团块，它们沿着磁场线从太阳表面弹出，并在日冕层中反弹。这些“冰雹”可能是由磁重联或其他不稳定性引起的，它们可能是日冕层加热的一个重要因素。

它还首次直接探测到了阿尔芬波在日冕层中的存在，这些波是由磁场和等离子体共同振荡产生的。阿尔芬波可以在日冕层中传输能量，并在遇到不均匀或不稳定性时产生湍流。湍流可以增加等离子体的粘滞性和电阻性，从而导致能量耗散和加热。

还首次发现了日冕层中存在着一种新型的磁重联事件，称为开放场线重联，以及首次揭示了日冕层中存在着一种新型的高能粒子加速机制，称为“远距离加速”。

帕克太阳探测器不仅是人类对太阳科学的一个重大贡献，也是对人类自身利益的一个重要保障。因为太阳不仅是我们生命的源泉，也是我们生活的威胁。太阳不断地向外喷射出大量的等离子体，形成太阳风。太阳风会影响地球的磁场、大气层、电离层、极光、气候和生物等。而太阳活动预计将于2025年达到高峰，可能会引发更多的太阳风暴、耀斑、日冕物质抛射等灾害性空间天气事件，对地球的磁场、大气、电力、通讯、导航、航空航天等系统造成干扰和损害，甚至影响人类和其他生物的健康和安全。因此，帕克探测器给太阳拍照不仅是为了满足人类对太阳的好奇心，更可以帮助我们更好地理解太阳和太阳系的物理过程，预测太阳活动的变化，揭开太阳的许多谜团和奥秘，以便为人类应对太阳活动带来的挑战提供更准确和及时的信息和建议。