太陽(yáng)風(fēng)與空間天氣

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太陽(yáng)每天東升西落，為地球上的人們帶來(lái)了賴以生存的光和熱。而在太空之中，太陽(yáng)也以另一種方式影響著我們的地球。一種被稱作“太陽(yáng)風(fēng)”的高速等離子體流時(shí)刻從太陽(yáng)上涌出，并向太陽(yáng)系的深處奔去。當(dāng)它到達(dá)地球附近時(shí)，會(huì)與地球的磁場(chǎng)發(fā)生作用。強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)引起地球磁場(chǎng)的劇烈變化，誘發(fā)地磁暴的產(chǎn)生。在人類活動(dòng)尚不依賴高技術(shù)系統(tǒng)的時(shí)代，地磁暴除了會(huì)讓更多地方的人們有機(jī)會(huì)一睹美麗的極光外，并不會(huì)造成嚴(yán)重的后果。而現(xiàn)如今，嚴(yán)重的太陽(yáng)風(fēng)暴將會(huì)對(duì)航天、供電、通訊、航空、導(dǎo)航等一系列領(lǐng)域和技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)害性的影響。

▲空間天氣概念圖

太陽(yáng)風(fēng)是如何被發(fā)現(xiàn)的？

在日全食發(fā)生時(shí)，太陽(yáng)耀眼的光芒會(huì)被月球暫時(shí)遮擋。這時(shí)太陽(yáng)大氣中的日冕結(jié)構(gòu)便會(huì)呈現(xiàn)在太空中。在上世紀(jì)50年代初，天文學(xué)家們意識(shí)到，要支撐這些拱環(huán)和射線狀的結(jié)構(gòu)存在，接近太陽(yáng)表面的日冕底部必須有很高的溫度。當(dāng)時(shí)，著名的空間物理學(xué)家西德尼·查普曼通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，日冕底部的溫度可能高達(dá)數(shù)百萬(wàn)度。后來(lái)，對(duì)太陽(yáng)大氣的觀測(cè)證實(shí)了這一點(diǎn)。

與此同時(shí)，天文學(xué)家路德維希·比爾曼注意到了彗星觀測(cè)中的另一個(gè)有趣的現(xiàn)象。它發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彗星在太空中穿行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)指向不同的尾巴。其中一個(gè)彗尾，無(wú)論彗星是朝向太陽(yáng)還是遠(yuǎn)離太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)彗尾總指向背離太陽(yáng)的方向。比爾曼推測(cè)，在太空中存在一些流動(dòng)的物質(zhì)，吹拂著彗星，形成了這個(gè)特別的彗尾。經(jīng)過(guò)計(jì)算，他推測(cè)這種流動(dòng)地速度應(yīng)該在500～1500公里/小時(shí)之間。但這種流動(dòng)從哪來(lái)？比爾曼并不能回答這個(gè)問(wèn)題。

在芝加哥大學(xué)，一位獲得教職不久的年輕學(xué)者尤金·帕克注意到了這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)。在1958年《天體物理學(xué)期刊》上發(fā)表的論文中，帕克用簡(jiǎn)潔的物理模型描述了太陽(yáng)大氣動(dòng)起來(lái)的原因：由于日冕底部的高溫，日冕中存在著比較大的壓強(qiáng)梯度力。在壓強(qiáng)梯度力的作用下，太陽(yáng)大氣中的等離子體逃脫了太陽(yáng)引力的束縛，被逐漸加速并最終達(dá)到超音速，形成了太陽(yáng)風(fēng)。證實(shí)太陽(yáng)風(fēng)吹拂了彗星的離子尾，使其總是指向遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向。此外，他還提出了著名的“帕克螺旋線”理論，用來(lái)描述太陽(yáng)磁場(chǎng)被太陽(yáng)風(fēng)攜帶到太空中之后的基本形態(tài)。

▲太陽(yáng)風(fēng)概念圖

太陽(yáng)風(fēng)的基本性質(zhì)

處于固體、氣體和液體狀態(tài)的物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的，帶負(fù)電荷的電子被束縛在帶正電荷的離子周圍，像圍繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星一樣圍繞在離子附近運(yùn)動(dòng)。然而，如果電子獲得了非常高的能量，就可以掙脫離子的束縛，在物質(zhì)中自由移動(dòng)，就形成了“等離子體”。從宏觀上看，等離子體并不帶電，但由于電子和離子在物質(zhì)中不再“綁定”在一起，因此能夠表現(xiàn)出一些特別的電磁屬性。例如，等離子體具備一種被稱為“磁場(chǎng)凍結(jié)”的效應(yīng)，可以攜帶著磁場(chǎng)一起運(yùn)動(dòng)。

我們可以用肉眼在天空中觀察到的太陽(yáng)形態(tài)（切勿用眼睛直視太陽(yáng)，否則會(huì)引起嚴(yán)重傷害！觀察太陽(yáng)要使用專門地觀測(cè)慮光設(shè)備），實(shí)際上是太陽(yáng)的光球?qū)?。在光球?qū)又?，太?yáng)還有色球?qū)?、過(guò)渡區(qū)、日冕等圈層。日冕中的溫度高達(dá)數(shù)百萬(wàn)度，已經(jīng)足以使太陽(yáng)上的物質(zhì)變成等離子體態(tài)。在日冕高溫的驅(qū)動(dòng)下，日冕上的等離子體向遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向運(yùn)動(dòng)并不斷被加速，最終達(dá)到超音速狀態(tài)，形成了太陽(yáng)風(fēng)。在離開(kāi)太陽(yáng)時(shí)，由于等離子體的磁場(chǎng)凍結(jié)效應(yīng)，太陽(yáng)風(fēng)還能攜帶著日冕磁場(chǎng)進(jìn)入了太空之中。太陽(yáng)風(fēng)可以一直奔馳到冥王星的軌道以外，距離太陽(yáng)約120AU的地方。在那里，已經(jīng)變得相當(dāng)稀薄的太陽(yáng)風(fēng)和星際物質(zhì)相互作用，形成了日球?qū)禹?。一些科學(xué)家將這里視為太陽(yáng)系的邊緣。

風(fēng)是一種我們熟悉的天氣現(xiàn)象。在一般的天氣狀況下，風(fēng)有時(shí)大有時(shí)小，但總歸只是吹拂著萬(wàn)物，不會(huì)產(chǎn)生什么其他的麻煩。但在暴雨、暴風(fēng)雪、臺(tái)風(fēng)等天氣中，狂風(fēng)夾雜著驟雨或雪花，不但會(huì)給人們的生活帶來(lái)不便，還很容易誘發(fā)各類災(zāi)害。在從太陽(yáng)表面到地球軌道乃至更遠(yuǎn)距離的太空中，太陽(yáng)風(fēng)也存在著兩種狀態(tài)。一種是持續(xù)地從太陽(yáng)上涌出的太陽(yáng)風(fēng)所形成的狀態(tài)，研究者們將其稱為“背景太陽(yáng)風(fēng)”，其特性類似于地球上一般天氣狀況下的風(fēng)。另一種是在某一些時(shí)刻發(fā)生的強(qiáng)烈的爆發(fā)事件，一旦擊中地球，將會(huì)對(duì)地球附近的空間環(huán)境產(chǎn)生顯著的影響，研究者們通常將這些爆發(fā)現(xiàn)象稱為“太陽(yáng)風(fēng)暴”。

按照我們目前對(duì)背景太陽(yáng)風(fēng)的認(rèn)識(shí)，一般將背景太陽(yáng)風(fēng)按照速度分為快、慢兩類。除了速度上的差異外，快慢太陽(yáng)風(fēng)在離子成分、源區(qū)溫度等方面的性質(zhì)也都存在差異。在太陽(yáng)風(fēng)傳播的過(guò)程中，快太陽(yáng)風(fēng)會(huì)擠壓慢太陽(yáng)風(fēng)，形成一個(gè)被稱作“流相互作用區(qū)”的結(jié)構(gòu)。在流相互作用區(qū)掃過(guò)地球時(shí)，可能會(huì)在地磁場(chǎng)中觸發(fā)中小強(qiáng)度的磁暴。

▲太陽(yáng)結(jié)構(gòu)示意圖

太陽(yáng)風(fēng)暴主要有太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射兩種形式。當(dāng)我們?cè)谙募驹庥隼钻囉陼r(shí)，往往能同時(shí)感受到天空中的電閃雷鳴和地面附近的狂風(fēng)驟雨。和雷陣雨中伴生的閃電和驟雨一樣，耀斑和日冕物質(zhì)拋射也是太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)兩種相互聯(lián)系但性質(zhì)不同的現(xiàn)象。耀斑是太陽(yáng)日冕中突然增亮的現(xiàn)象，耀斑發(fā)生的過(guò)程中磁場(chǎng)的能量急促地轉(zhuǎn)換成了X波段、極紫外波段的輻射能，并加速了高能粒子，幾乎是在耀斑發(fā)生的同時(shí)，地球上就能感受到耀斑的影響。而日冕物質(zhì)拋射，則是在磁場(chǎng)變化的驅(qū)動(dòng)下，將日冕中的大量等離子體突然間拋射向太空之中，一般要在發(fā)生后1～4天才會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生影響。就像地面附近的天氣存在“干打雷、不下雨”及沒(méi)有雷電的細(xì)雨一樣，耀斑和日冕物質(zhì)拋射并不一定同時(shí)出現(xiàn)。但對(duì)于比較強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴，耀斑和日冕物質(zhì)拋射一般是伴生的。

太陽(yáng)風(fēng)與空間天氣

在太陽(yáng)風(fēng)暴的影響下，地球附近的空間環(huán)境會(huì)出現(xiàn)良好與惡劣之分。類比于地球上的天氣現(xiàn)象，空間物理學(xué)家們提出了空間天氣的概念，即太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響。如果太陽(yáng)活動(dòng)相對(duì)平靜，地球只受背景太陽(yáng)風(fēng)吹拂，那么此時(shí)的空間天氣狀況就比較好，相當(dāng)于我們?nèi)粘Ｉ钪嘘?yáng)光明媚、微風(fēng)習(xí)習(xí)的日子。而如果太陽(yáng)活動(dòng)劇烈，則地球附近的空間天氣狀況就會(huì)惡化，相當(dāng)于我們?nèi)粘Ｉ钪邢麓笥?、下大雪的壞天氣?/p>

劇烈的太陽(yáng)風(fēng)暴，會(huì)向太空中射出三支“弓箭”。第一支弓箭是強(qiáng)電磁波，以光速飛行，在太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)8分鐘后打擊地球。在強(qiáng)電磁波的作用下，地球電離層發(fā)生擾動(dòng)，距離地面100～1000公里的高層大氣的密度增加。第二支弓箭是太陽(yáng)耀斑所產(chǎn)生的高能帶電粒子，它在太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)幾十分鐘后打擊地球。這些高能粒子的能量可以達(dá)到兆電子伏特級(jí)別，足以穿透航天器的保護(hù)層，干擾航天器的電子元器件正常工作。太陽(yáng)風(fēng)暴的第三支弓箭，給了地球 1到4天的喘息時(shí)間，隨之而來(lái)是每秒奔馳數(shù)千公里的日冕物質(zhì)與它攜帶的日冕磁場(chǎng)。這些物質(zhì)中單個(gè)粒子的能量，雖然不如第二支弓箭彈那么強(qiáng)，但攜帶的日冕磁場(chǎng)像一把“鑰匙”，可以通過(guò)與地球磁層頂磁場(chǎng)地重連，打開(kāi)地球的 “護(hù)甲” ，將物質(zhì)和能量源源不斷地輸入到地球的磁場(chǎng)中，觸發(fā)整個(gè)地球磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)，也就是地磁暴。

▲太陽(yáng)上爆發(fā)的一次日冕物質(zhì)拋射

▲2011年爆發(fā)的一次X級(jí)太陽(yáng)耀斑

惡劣的空間天氣會(huì)對(duì)航天器的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。1991年2月，太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的高能粒子穿透了風(fēng)云一號(hào)B氣象衛(wèi)星，使衛(wèi)星上的姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，衛(wèi)星剛剛在太空中工作半年就提前報(bào)廢。2003年萬(wàn)圣節(jié)期間，連續(xù)爆發(fā)的強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴使日本的ADEOS-2對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星報(bào)廢，還損壞了在火星附近工作的火星奧德賽號(hào)探測(cè)器的MARIE儀器。即便是那些幸免于難的衛(wèi)星，也不得不關(guān)機(jī)或進(jìn)入安全模式，暫停正常工作以規(guī)避惡劣空間天氣帶來(lái)的影響。同時(shí)，為了防止在國(guó)際空間站上工作的航天員遭受高能粒子帶來(lái)的過(guò)量輻射，地面控制人員命令航天員們進(jìn)入防護(hù)能力更強(qiáng)的艙段避險(xiǎn)，并關(guān)閉了國(guó)際空間站上的一些設(shè)施。

空間天氣的影響還能從天上延伸到地面。磁暴可以在高壓輸電網(wǎng)中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流，有可能燒毀大型變壓器等電網(wǎng)核心設(shè)備，進(jìn)而引發(fā)大停電。1989年3月的一次劇烈太陽(yáng)風(fēng)暴使加拿大魁北克地區(qū)的電網(wǎng)崩潰，占加拿大總?cè)丝跀?shù)約四分之一的居民失去了供電。此外，導(dǎo)航、通訊、民航等部門，同樣也會(huì)受到惡劣空間天氣的影響。

我們每天都可以收到氣象臺(tái)發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)，而空間天氣同樣也是可以預(yù)報(bào)的。目前，我國(guó)的空間天氣預(yù)報(bào)主要由中科院、中國(guó)氣象局的研究預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)發(fā)布。在航天發(fā)射前，他們要對(duì)發(fā)射窗口的空間天氣狀況進(jìn)行詳細(xì)分析和預(yù)測(cè)，給出是否安全的結(jié)論。飛船在軌飛行期間，他們要不間斷地監(jiān)測(cè)空間天氣情況，一旦有太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生，他們?cè)谧龀鲱A(yù)報(bào)的同時(shí)還要評(píng)估太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)飛船各系統(tǒng)的影響，指導(dǎo)航天部門采取正確的應(yīng)對(duì)措施。神舟九號(hào)發(fā)射前兩天，太陽(yáng)突然爆發(fā)日冕物質(zhì)拋射（CME）。預(yù)報(bào)人員準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了這次太陽(yáng)風(fēng)暴到達(dá)地球的時(shí)間，并判斷太陽(yáng)風(fēng)暴引發(fā)的地磁暴強(qiáng)度為小到中等，保障了飛船的正常運(yùn)行。