空间物理学漫谈——从太阳爆发到地球磁暴

/ 空间物理学是什么

空间物理学是利用空间飞行器直接探测和研究太空中的物理现象和过程的学科，它是人类进入太空时代之后的产物，是一门年轻的学科。1957年10月4日，前苏联发射了人类第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”（Sputnik 1），标志着人类进入太空时代，美国则于1958年1月31日发射了“探险者1号”（Explorer 1），虽然落后于前苏联，但是探险者1号有一个具有划时代意义的发现——我们地球附近的空间区域中汇集了大量的带电粒子（图1），这个区域叫做范艾伦辐射带，为了纪念它的发现者范艾伦（Van Allen，1914-2004）。辐射带的发现标志着空间物理学的开启，同年美国成立了国家航天局（NASA）。

图1 范艾伦辐射带

空间物理学的研究范围是空间飞行器能够到达的太空区域，目前人类飞的最远的探测器是1977年发射的“旅行者1号”（Voyager 1）和“旅行者2号”（Voyager 2），它们在太空中飞行了40多年，已经到达了太阳系边缘，其中旅行者1号和旅行者2号分别于2012年8月25日和2018年11月5日飞出了日球层顶，而随着人类太空探索技术的进步，空间物理学的研究范围将会朝着更广阔的宇宙空间扩展。

空间物理学的研究意义深远，它不仅能帮助人们预警和预报灾难性空间天气（如太阳爆发引起的地球磁暴），保障太空探索的安全，更是为了探索宇宙空间，实现人类对真理和本质的不懈追求。

/ 太阳爆发

我们的太阳并不是平静的，太阳表面几乎每天都在发生剧烈的太阳爆发事件，像地球上的地震、火山喷发一样，太阳爆发也是一种短时间内释放大量能量的物理过程。

太阳爆发主要分为两大类：太阳耀斑和日冕物质抛射。耀斑（图2）是指太阳表面发生的局部突然增亮，从射电到硬X射线波段的电磁辐射都会增强，持续时间从几十秒到几个小时。在大耀斑期间，紫外线和X射线可增强100倍，一次大耀斑释放的能量高达10^25焦耳，相当于1千亿个广岛原子弹，在太阳活动高年，每天平均有数个耀斑发生。日冕物质抛射是指太阳向行星际空间抛射出大量高速运动的团状物质（图3），一次大的日冕物质抛射可抛出10亿吨物质，速度最高可达2000km/s，抛出的这团物质在太阳附近的尺度经常比行星还大，太阳活动高年每天平均也有数个日冕物质抛射发生。

图2 不同波段下观测到太阳耀斑

图3 日冕物质抛射与行星和冥王星的大小比较

耀斑目前被认为是由太阳大气局部区域中的磁重联过程引起的爆发现象。在磁重联过程中（图4），两条不同方向的磁力线互相靠近，磁力线会断裂并重新连接，磁场被中和，而原先储存在磁场中的能量被突然释放，加速粒子、加热等离子体。日冕物质抛射一般被认为是日冕物质被加热和加速，当其速度超过太阳表面的逃逸速度时，这部分物质被抛射到行星际空间。耀斑和日冕物质抛射在观测上存在一定的相关性，它们可能是同一个物理过程的不同表现，但是目前关于耀斑和日冕物质抛射的关系还没有定论。

图4 磁重联过程示意图

太阳爆发会把大量的能量、物质、高能粒子以及电磁辐射注入到行星际空间，当它们传播到地球时，会引起地球空间环境的剧烈扰动，引发灾害性空间天气，如磁暴和电离层暴，对人类的航空航天活动以及日常生活产生影响。

/ 地球磁暴

太阳爆发产生的高速等离子体到达地球时，会压缩地球的磁层，同时大量带电粒子注入地球磁层，这些带电粒子会围绕着地球运动，造成地球环电流的增强，引发全球性的地磁扰动，即地球磁暴。磁暴期间（图5），地面地磁台站会检测到地磁场水平分量会在1到几个小时内急剧下降，在随后的几天内恢复，我们通常用磁场下降的幅度——Dst指数（磁暴环电流指数，单位nT）来衡量一次磁暴的强弱。如1859年卡灵顿大磁暴，Dst=-1700nT，释放的能量约为5×10^16焦耳，相当于800个广岛原子弹的能量，正所谓“太阳吼一吼，地球抖三抖”。

图5 1859年磁暴发展过程中地磁变化记录，摘自Tsurutani et al. (2003)

太阳爆发带来的影响绝不止这些。磁暴期间，空间高能带电粒子的通量也会急剧增大，高能电子会穿过卫星的蒙皮，沉降在卫星的绝缘材料上，同时产生大量次级电子，造成卫星内部电荷积累从而引发放电，击穿或损坏卫星电子元器件，因此这些电子被叫做“杀手电子”。2010年5月11日，“杀手电子暴”导致美国通讯公司AT&T的一颗通信卫星报废，变成了一颗“僵尸卫星”，直接经济损失达到5亿美元。

磁暴期间，地磁场的变化还会产生感应电场，在长距离输电线路上产生很高的电势差，损坏大型变压器。1989年3月加拿大魁北克大停电，停电时长9小时，波及600万人，造成数亿元的经济损失，罪魁祸首就是磁暴。

太阳爆发产生的高能带电粒子和电磁辐射还会引起电离层扰动，影响导航信号在电离层中的传播，干扰导航系统甚至使其失灵。此外，这些高能粒子辐射还会对人类空间活动产生影响，因为高能粒子可以直接穿透宇航服，进入细胞破坏DNA分子结构，诱发癌症，严重可致人死亡。由此可见，随着科技的发展，太阳爆发对人类的影响已经渗透到了各方各面，因此如何预警和预测这些灾害性空间天气一直是空间物理学的热门问题之一。

/ 极光

事物都有两面性，太阳爆发给人类造成如此多不便的同时，也带来了一件美丽的礼物——极光。极光是一种发生在高纬地区大气发光现象，一般以绿色和红色为主（图6）。早在公元前的亚述文明和巴比伦文明就有观测记录，中国古书上也曾多次记载过疑似极光的天象，《山海经·大荒北经》中记载了一种叫烛龙的神兽，“西北海之外，赤水之北，有章尾山。有神，人面蛇身而赤，直目正乘。其瞑乃晦，其视乃明。不食，不寝，不息，风雨是谒。是烛九阴，是谓烛龙……”，很可能就是古人看到了极光之后想象出来的。

图6 美国阿拉斯加的极光 摄影 / 宗秋刚

极光其实是高能粒子与高层大气的原子分子作用引起的大气发光现象。磁暴期间，高能带电粒子沿着地球磁场运动到极区，沉降到大气中，与大气层中的原子和分子碰撞使其激发，这些原子和分子回到基态时辐射出光子，产生了不同颜色的极光（图7）。人眼能看到的可见光波段的极光是由电子产生的: 在地面200km以上，氧原子被电子激发后发出红光；在100-200km，氮原子被激发产生蓝光，氧原子被次级电子激发产生绿光；在100km以下，氮分子被激发产生紫红色的光 。

图7 不同颜色的极光产生的机制

极光产生的区域通常位于地磁纬度65°-75°之间，是一个以地球磁轴为中心的椭圆形带状区域，叫做极光椭圆带（图8）。因此，一般只有在磁纬很高的地区才能看见极光，如加拿大北部、阿拉斯加、冰岛、格陵兰岛、挪威、瑞典、芬兰和西伯利亚。由于地球磁轴和自转轴有一个11.5°的夹角，且向北美偏移，中国现在的地磁纬度低，即使漠河的地磁纬度也只有43.9°，因此中国境内通常看不到极光，只有在非常大的磁暴期间（发生概率为数十年一次）才会看到极光。

图8 极光椭圆带示意图

/ 高能粒子

行星际空间中分布着很多高能带电粒子。有些高能带电粒子是在太阳和行星际中被加速的，叫做太阳高能粒子(图9)，比如太阳爆发就会产生大量太阳高能粒子；有些则来自太阳系之外甚至银河系之外，叫做宇宙射线。这些高能带电粒子是空间物理学的重要研究对象之一，研究它们可以帮助我们理解在宇宙空间中的高能粒子的起源、加速和传播过程，也可以帮助我们预警和预报灾害性空间天气效应。

图9 太阳高能粒子观测，摘自Wang et al. (2011, 2016)

高能带电粒子的加速机制有很多，如磁重联中的直流电场加速，磁流体激波中的漂移加速和扩散加速，以及波粒相互作用导致的随机加速等等。目前主流观点认为，宇宙射线是由超新星爆发产生的激波加速而形成的（图10），而耀斑和日冕物质抛射是太阳高能粒子的重要加速源。

图10 超新星爆发形成的蟹状星云

高能粒子一般通过卫星的实地观测来研究，高能粒子的通量、能量和角度蕴含了这些粒子的加速和传播的重要信息，研究这些物理量随时间和空间的演化可以揭示这些高能粒子加速和传播机制。

目前在轨的空间科学卫星共有27颗，这27颗卫星构成了太阳物理学系统天文台（HSO，图11）。近几年发射的两颗卫星：“帕克”太阳探测器(Parker Solar Probe和太阳轨道探测器(Solar Orbiter)，将在靠近太阳处观测太阳、太阳风和高能粒子，期待它们能够带给我们更多的惊喜。

图11 太阳物理学系统天文台

/ 结语

自人类有文明以来，我们从未停止过对头顶这片深邃而神秘的天空进行探索，从“九天之际，安放安属？”的诘问，到“这是个人迈出的一小步，但却是人类迈出的一大步”的豪迈，人类已经开启了驶向星辰大海的远征，并将向着更广阔的宇宙空间开疆拓土。最后引用宇航之父齐奥尔科夫斯基的话来结束这篇文章——地球是我们人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里。

问答部分 / 

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1. 日冕物质抛射和太阳风的关系？

答：太阳风是太阳持续吹出的等离子体流，日冕物质抛射是爆发性现象，是间断性的，两者都是太阳发出的等离子体。

2. 极光为什么有这么多颜色？

答：不同的原子和分子的能级之间能量差不同，会发出不同频率的光子，因此产生不同颜色的极光。

3. 目前有哪些日球层边界的探测计划？

答：继上世纪70年代美国的旅行者1号、2号之后，中国和美国都在计划新的日球层边界探测任务，欧洲目前处于停滞状态。

4. 日冕物质抛射的物质对太阳质量有影响吗？

答：太阳的质量是2×10^30kg，10亿吨对于太阳来说基本可以忽略不计。

5. 科技的发展会使人类应对空间灾害性天气时更脆弱吗？

答：事物具有两面性，科技的发展的确让人类对空间环境的变化更加敏感，但是科技的发展也能让我们更了解空间灾害性天气，有更多的预警和防护手段。

6. 如何同时探测不同方向的高能粒子？

答：探测器有很多不同方向的开口，可以做到同时探测多个方向的高能粒子。

7. 虫洞有可能存在吗？

答：虫洞是广义相对论的引力场方程在数学上的一个可能解，但是物理是一门实验科学，虫洞在物理上是否存在还需要实验和观测的支持。

8. 宇宙射线和太阳高能粒子的区别是什么？

答：首先它们源不一样，一个来自太阳系外（银河系或者河外星系），一个是太阳，其次它们能量范围不同。进入到日球层内的宇宙线粒子的能量一般非常高，在10^9 eV以上，而太阳高能粒子的能量通常偏低，但是这两者的加速过程会有一些共性。

编辑 / 怀尘