太阳风能够成为宇宙探索的动力来源吗?

article/2025/6/8 3:04:54

太阳风是什么?

太阳大气分层图

太阳大气层由内而外可以分为光球层、色球层和日冕层。

太阳大气层由内而外可以分为光球层、色球层和日冕层。

太阳风是太阳活动的一种表现形式。太阳活动是指太阳大气层里一切活动现象的总称。主要有太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和日冕瞬变事件等。

遮住光球层后观察到的太阳日冕层

太阳风是发生在日冕层里的一种太阳活动,是从太阳大气层中向外射出的超声速等离子体带电粒子流。太阳风是一种连续存在,来自太阳并以200-800km/s的速度运动的高速带电粒子流。这种物质虽然与地球上的空气不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,所以称它为太阳风。

太阳风假想图

太阳风(solar wind)的密度与地球上风密度相比是非常稀薄而微不足道的。一般情况下,在地球附近的行星际空间中,每立方厘米有几个到几十个粒子,而地球上风的密度则为每立方厘米有2687亿亿个分子。然而太阳风虽十分稀薄,但它刮起来的猛烈劲,却远远胜过地球上的风。在地球上,12级台风的风速是每秒32.5米以上,而太阳风的风速,在地球附近却经常保持在每秒350~450千米,是地球风速的上万倍,最猛烈时可达每秒800千米以上。

如此之快的太阳风对地球会有极大的影响,好在我们有磁场保护,地球的磁场是的太阳风中的带电粒子沿着磁力线往两极移动,带电粒子在两极高空集聚,并和地球大气产生摩擦,从而产生了极光现象。

极光照片

太阳风影响的范围有多远呢?目前来看可能整个太阳系都受其影响,在冥王星轨道以外的柯伊伯带里仍能探测到太阳风的作用。太阳系的半径若以冥王星轨道为限,为40个天文单位,约60亿千米。

太阳系示意图

由此我们设想既然太阳风很像地球上的风,那么我们人类在进行宇宙探测的时候能不能借助太阳风的能量来飞行呢?

太阳风风帆模拟图

答案应该是可行的,为此人类也已经开始了相关探索。美国宇航局的工程师们已经开始测试新型空间推进系统,这一系统将利用太阳释放出的大量粒子产生的推力,实现史无前例的加速,一旦成功,它将有望将人类的探索范围拓展至恒星际空间。

美宇航局实验假想图

日本为此还研制了一艘Ikaros太阳风风帆太空飞船飞向金星进行探测。

日本太阳风风帆在试验中打开

展开的太阳帆,面料闪闪发亮,像锡箔。它其实是镀上一层铝的聚脂薄膜材料。聚酯薄膜很寻常,但太阳帆薄得不寻常,只有100个原子厚。链、索、杆都是碳纤维复合材料。本身很轻,充气后才能勃起,硬如钢铁。扬起巨帆方能行大船。太阳帆也是越大越好。在刘宇艳等人撰写的《可展开太阳帆技术概述》中说,如果太阳帆直径300米,可以获得340牛顿的压力。让0.5吨的航天器在200天飞抵火星。如果直径2000米,就能把5吨重的航天器推出太阳系。

2005年6月,由于运载火箭发动机出现故障飞船未能进入预定轨道,太阳帆飞船“宇宙一号”实验失败。目前人类对于太阳风的利用还处在探索阶段,总有一天,我们会掌握相关技术,真正应用于宇宙探索之中。


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