太陽圈電流片

太陽圈電流片

太陽圈電流片是轉動的太陽磁場在太陽圈內創造出來的漣漪。延伸在太陽圈中,被認為是太陽系內最大的結構,類似芭蕾舞的女舞者舞動中的裙擺。

太陽圈電流片(heliospheric current sheet,縮寫為HCS)或太陽圈電流頁[1][2]是太陽系內部磁場極性發生轉換的表面,這個區域在太陽圈內沿著太陽赤道平面延伸[2][3]。電流片的形狀是受到行星際介質中太陽磁場鏇轉的影響而形成的,厚度大約為10,000公里,有一小股電流在電流片中流動,大小約為10-10A/m2。
電流片下面的磁場稱為行星際磁場,其產生的電流構成了一部分太陽圈電流迴路[4]。太陽圈電流片有時也稱為行星際電流片。

太陽圈電流片的特徵

由於太陽自轉,磁場被扭曲成帕克螺鏇(Parker spiral),這是阿基米德螺鏇的一種,是由尤金·帕克於1958年提出的[5],因而得名。電流片將帕克螺鏇形狀的磁場一分為二[6][7]。1970年代早期,Schatten發展出一個數學模型,當鏇轉的磁場改變極性時會翹曲、變形,形成類似芭蕾舞裙的波浪螺鏇形狀[8][9]。進一步的動力學研究表明,太陽如同一位害羞的女芭蕾舞演員,會將高高飄揚的裙擺反覆向下壓[10]。
這種芭蕾舞裙形狀的成因有時被稱為“水龍頭效應”或者“橡膠軟管效應”[11][12],好比一個人手執水龍頭上下揮舞並且快速鏇轉。水流好比太陽風不斷向外噴射。

帕克螺鏇

太陽圈電流片的磁場

太陽圈電流片隨著太陽的自轉每27天轉一圈,在這期間地球的磁場會穿越其峰頂與谷底,並與之發生相互作用。在靠近太陽表面的地方,由電流片中的徑向電流產生的磁場大約在5×10-6T量級[4]。太陽表面的磁場大小約為10-4T。如果是磁偶極場,其強度與距離的三次方成反比,地球軌道附近的磁場大約為10-11T。而實際上太陽磁場含有多極矩的成分,因此在地球附近實際大小要比這大100倍。

太陽圈電流片的電流

太陽圈電流片中的電流向內流動,並與太陽磁場一道在太陽極區附近向外流動的電流構成閉合迴路,總電流大約在3×109安培的數量級[4],太陽圈中電流密度最大的地方達到了10×-10A/m2的數量級。與其它天體物理過程中的電流片相比,產生地球極光的柏克蘭電流只有大約100萬安培,大小只有太陽圈電流片中電流的千分之一。

太陽圈電流片的研究歷史

太陽圈電流片是由翰M. 威爾科克斯和諾曼F. Ness在1965年提出的[13]。漢尼斯·阿爾文等人推測銀河系也存在類似的星系電流片[14],估計電流大小為1017-1019安培,位於銀河系的對稱平面上。

參考文獻

^ 新聞:中央研究院天文及天文物理研究所翻譯,《兩個北極的太陽》,中央研究院,2003.4.22
^ 2.0 2.1 Dr. Tony Phillips, A Star with two North Poles, Science@NASA, 2003.04.22
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^ ALfven, H., Carlqvist, P., 1978, Astrophysics and Space Science, 55, 487. NASA ADS

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