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93万°C高温!美国探测器是怎么“触摸”太阳而不被熔化的?

美国探测器“帕克”号在2021年11月间第10次飞过太阳附近,有媒体称它“成功进入了太阳大气层”、“触摸到了太阳”,还有人称这里的温度高达摄氏93万度!

真是令人惊叹!一台人造航天器,它是如何抵挡住93万°C的高温而不熔毁,并且还成功向地球传回数据的?难道美国真的掌握了什么不得了的超前科技?

帕克探测器真的“摸”到了太阳?

在讲太阳之前,我先问你两个问题:中国天宫空间站是在地球大气层外飞行吗?空间站外边气体的温度是多少?

许多人会脱口而出:“地球大气层厚度100公里,空间站轨道高度约400公里,天宫当然是在大气层外飞行!空间站外边是真空,所以不存在气体温度。”

实际上,不仅是天宫空间站,环绕地球周围的大多数卫星都在大气层内飞行,空间站外边并不是真空,这里每个立方厘米(小指头那么大)的空间里有多达8000个气体粒子,并且这里的气体温度非常高,白天能达到2500°C!怎么样,想不到吧?

国际空间站穿越极光

对高中地理还有印象的朋友应该还记得,地球大气层有一个“热层”,它从80公里高度一直向上延伸到大约1000公里。由于太阳X射线和极紫外线的能量被完全吸收,热层的气体粒子被加热到2000°C以上,太阳风带电粒子与地球磁场作用产生绚丽的极光。

为什么几千度的高温没有损坏航天器,航天员出舱活动在太空一呆就是好几个小时,为什么他们没有被烤焦?答案很简单:因为这里的高温气体太稀薄了,虽然温度很高,但不足以加热航天员的宇航服。

中国航天员出舱工作

现在让我们回到太阳。

太阳核心温度高达1500万°C,同时有高达2650亿个大气压。在如此高温高压下,氢气的原子核被压到一起变成氦,同时因核聚变产生更多热能。太阳内部热能一点一点传输到表面的光球层时,它的温度变成不到6000°C,也就是说我们抬头看到太阳最亮的部分,它的温度其实并不吓人。

但有意思的是,从太阳光球层开始,越往外,温度越高,太阳大气(日冕)的温度最高能达到200万°C!

日冕的温度比太阳表面高许多倍

远离太阳表面的日冕怎么会有如此高的温度?实际上科学家也不知道这个问题的真正答案。

一种观点认为是太阳内部发出的磁声波和阿尔文波(一种超低频的无线电波)持续加热太阳大气,从而产生高温等离子体;另一种理论说是太阳磁场在日冕中产生感应电流,当这个电流突然崩溃时,就以热能和波能的形式向外释放能量。类似的理论林林总总,但都是公说公有理,没人能证明自己是对的。

太阳不断向外喷射粒子

就跟地球大气的热层类似,太阳日冕的温度虽然极高,但在远离太阳的位置由于气体极其稀薄,它的加热作用也比较有限。

2018年,美国宇航局(NASA)耗资15亿美元打造“帕克”太阳探测器,希望让它飞进太阳的日冕,探测那里的磁场、等离子体、太阳风和高能粒子,搞清楚日冕是怎么被加热的。

帕克探测器发射后以一个大的椭圆轨道绕着太阳飞行,靠金星的引力弹弓效应一点一点接近太阳,到2025年时,它会接近到距离太阳690万公里范围。

帕克探测器靠金星引力接近太阳

经过3年多的飞行,2021年11月21日,帕克探测器第10次飞到了距离太阳表面850万公里的近日点。但是12月14日NASA公布的数据却是帕克4月29日(第8次)到达近日点时取得的,因为科学家们认为从那一次开始,帕克就算真正“触碰”到了太阳大气层的边缘。

在这里,太阳日冕温度高达93万°C,但这并不会对帕克探测器造成伤害,因为我们在前边说了,尽管温度极高,太阳日冕等离子体极其稀薄,真正加热探测器的还是太阳直接发射出来的光子。

帕克号到达太阳大气边缘

当帕克探测器接近太阳时,太阳对它的辐射热能达到650kW/m^2,它能使探测器向阳面的温度升高到大约1300°C。虽然比起930000°C的日冕温度不值一提,但1300°C高温能在几秒钟内摧毁探测器上所有的电子设备,所以科学家需要在探测器上安装一个热防护盾。

帕克探测器始终将自己的防护盾朝向太阳,这样当它绕着太阳飞行时,强烈的辐射能就会被防护盾反射、阻挡,从而保护后面昂贵的电子器件不受到辐射热能的损害。

帕克号将热防护盾朝向太阳

地球上许多物质都能承受1300°C的高温。帕克探测器的防护盾直径约2.3米,厚约11.4厘米。它的最外边是一层白色氧化铝陶瓷,氧化铝的熔点达2072°C,同时白色的涂层能最大限度反射太阳光;在氧化铝背面涂覆了薄薄的一层金属钨,钨的后边是11厘米厚的碳泡沫板。

碳泡沫是一种类似于海绵状的碳,它有97%的体积都是孔洞,非常轻,这使得整个热防护盾的总质量控制在72公斤以内。当帕克探测器将防盾朝向太阳时,它的向阳面温度是1371°C,而阴影面的温度仅有约315°C。

帕克号顶端的防盾由氧化铝和碳构成

帕克号探测器的热防护盾是最好的防护盾吗?并不是这样。

当神舟飞船从太空返回地面,它需要在短时间里将速度从7.9公里/秒降到亚音速,在这个过程中,航天器的动能会通过挤压和摩擦空气转化为大量的热能释放出来,这会在航天器表面产生几千度高温。为了不让飞船返回舱里边的航天员受到伤害,科学家会在飞船底部安装一个“防热大底”,这个防热大底不仅能承受几千度高温的烧蚀,还能抵抗强大的压力。从使用环境看,飞船的防热层比帕克号的热盾要强多了。

飞船返回舱防热大底能耐几千度高温

讲到这里你应该明白了:

美国帕克号太阳探测器跟太阳最近的距离也有850万公里,它顶多只是“摸”到了太阳大气的边界。太阳大气边缘的温度可能高达93万度,但这里的大气极为稀薄,远不足以加热帕克号探测器。相比之下,阳光辐射的热能可以将探测器加热到1300°C以上,所以帕克号探测器加了一个防热盾来反射和阻隔阳光。帕克号这个防热盾就是氧化铝加石墨板,并不是啥不得了的高科技。拿93万度高温忽悠人的“美吹”们可以歇歇了。

一张误导人的动图