太陽風與空間天氣

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太陽每天東升西落，為地球上的人們帶來了賴以生存的光和熱。而在太空之中，太陽也以另一種方式影響著我們的地球。一種被稱作“太陽風”的高速等離子體流時刻從太陽上涌出，并向太陽系的深處奔去。當它到達地球附近時，會與地球的磁場發生作用。強烈的太陽風暴會引起地球磁場的劇烈變化，誘發地磁暴的產生。在人類活動尚不依賴高技術系統的時代，地磁暴除了會讓更多地方的人們有機會一睹美麗的極光外，并不會造成嚴重的后果。而現如今，嚴重的太陽風暴將會對航天、供電、通訊、航空、導航等一系列領域和技術系統產生災害性的影響。

▲空間天氣概念圖

太陽風是如何被發現的？

在日全食發生時，太陽耀眼的光芒會被月球暫時遮擋。這時太陽大氣中的日冕結構便會呈現在太空中。在上世紀50年代初，天文學家們意識到，要支撐這些拱環和射線狀的結構存在，接近太陽表面的日冕底部必須有很高的溫度。當時，著名的空間物理學家西德尼·查普曼通過計算發現，日冕底部的溫度可能高達數百萬度。后來，對太陽大氣的觀測證實了這一點。

與此同時，天文學家路德維希·比爾曼注意到了彗星觀測中的另一個有趣的現象。它發現，當彗星在太空中穿行時，會出現兩個指向不同的尾巴。其中一個彗尾，無論彗星是朝向太陽還是遠離太陽運動，這個彗尾總指向背離太陽的方向。比爾曼推測，在太空中存在一些流動的物質，吹拂著彗星，形成了這個特別的彗尾。經過計算，他推測這種流動地速度應該在500～1500公里/小時之間。但這種流動從哪來？比爾曼并不能回答這個問題。

在芝加哥大學，一位獲得教職不久的年輕學者尤金·帕克注意到了這兩個發現。在1958年《天體物理學期刊》上發表的論文中，帕克用簡潔的物理模型描述了太陽大氣動起來的原因：由于日冕底部的高溫，日冕中存在著比較大的壓強梯度力。在壓強梯度力的作用下，太陽大氣中的等離子體逃脫了太陽引力的束縛，被逐漸加速并最終達到超音速，形成了太陽風。證實太陽風吹拂了彗星的離子尾，使其總是指向遠離太陽的方向。此外，他還提出了著名的“帕克螺旋線”理論，用來描述太陽磁場被太陽風攜帶到太空中之后的基本形態。

▲太陽風概念圖

太陽風的基本性質

處于固體、氣體和液體狀態的物質是由分子或原子構成的，帶負電荷的電子被束縛在帶正電荷的離子周圍，像圍繞地球運行的衛星一樣圍繞在離子附近運動。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，在物質中自由移動，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中不再“綁定”在一起，因此能夠表現出一些特別的電磁屬性。例如，等離子體具備一種被稱為“磁場凍結”的效應，可以攜帶著磁場一起運動。

我們可以用肉眼在天空中觀察到的太陽形態（切勿用眼睛直視太陽，否則會引起嚴重傷害！觀察太陽要使用專門地觀測慮光設備），實際上是太陽的光球層。在光球層之外，太陽還有色球層、過渡區、日冕等圈層。日冕中的溫度高達數百萬度，已經足以使太陽上的物質變成等離子體態。在日冕高溫的驅動下，日冕上的等離子體向遠離太陽的方向運動并不斷被加速，最終達到超音速狀態，形成了太陽風。在離開太陽時，由于等離子體的磁場凍結效應，太陽風還能攜帶著日冕磁場進入了太空之中。太陽風可以一直奔馳到冥王星的軌道以外，距離太陽約120AU的地方。在那里，已經變得相當稀薄的太陽風和星際物質相互作用，形成了日球層頂。一些科學家將這里視為太陽系的邊緣。

風是一種我們熟悉的天氣現象。在一般的天氣狀況下，風有時大有時小，但總歸只是吹拂著萬物，不會產生什么其他的麻煩。但在暴雨、暴風雪、臺風等天氣中，狂風夾雜著驟雨或雪花，不但會給人們的生活帶來不便，還很容易誘發各類災害。在從太陽表面到地球軌道乃至更遠距離的太空中，太陽風也存在著兩種狀態。一種是持續地從太陽上涌出的太陽風所形成的狀態，研究者們將其稱為“背景太陽風”，其特性類似于地球上一般天氣狀況下的風。另一種是在某一些時刻發生的強烈的爆發事件，一旦擊中地球，將會對地球附近的空間環境產生顯著的影響，研究者們通常將這些爆發現象稱為“太陽風暴”。

按照我們目前對背景太陽風的認識，一般將背景太陽風按照速度分為快、慢兩類。除了速度上的差異外，快慢太陽風在離子成分、源區溫度等方面的性質也都存在差異。在太陽風傳播的過程中，快太陽風會擠壓慢太陽風，形成一個被稱作“流相互作用區”的結構。在流相互作用區掃過地球時，可能會在地磁場中觸發中小強度的磁暴。

▲太陽結構示意圖

太陽風暴主要有太陽耀斑和日冕物質拋射兩種形式。當我們在夏季遭遇雷陣雨時，往往能同時感受到天空中的電閃雷鳴和地面附近的狂風驟雨。和雷陣雨中伴生的閃電和驟雨一樣，耀斑和日冕物質拋射也是太陽風暴發生時兩種相互聯系但性質不同的現象。耀斑是太陽日冕中突然增亮的現象，耀斑發生的過程中磁場的能量急促地轉換成了X波段、極紫外波段的輻射能，并加速了高能粒子，幾乎是在耀斑發生的同時，地球上就能感受到耀斑的影響。而日冕物質拋射，則是在磁場變化的驅動下，將日冕中的大量等離子體突然間拋射向太空之中，一般要在發生后1～4天才會對地球產生影響。就像地面附近的天氣存在“干打雷、不下雨”及沒有雷電的細雨一樣，耀斑和日冕物質拋射并不一定同時出現。但對于比較強的太陽風暴，耀斑和日冕物質拋射一般是伴生的。

太陽風與空間天氣

在太陽風暴的影響下，地球附近的空間環境會出現良好與惡劣之分。類比于地球上的天氣現象，空間物理學家們提出了空間天氣的概念，即太陽風對地球空間環境的影響。如果太陽活動相對平靜，地球只受背景太陽風吹拂，那么此時的空間天氣狀況就比較好，相當于我們日常生活中陽光明媚、微風習習的日子。而如果太陽活動劇烈，則地球附近的空間天氣狀況就會惡化，相當于我們日常生活中下大雨、下大雪的壞天氣。

劇烈的太陽風暴，會向太空中射出三支“弓箭”。第一支弓箭是強電磁波，以光速飛行，在太陽風暴爆發8分鐘后打擊地球。在強電磁波的作用下，地球電離層發生擾動，距離地面100～1000公里的高層大氣的密度增加。第二支弓箭是太陽耀斑所產生的高能帶電粒子，它在太陽風暴爆發幾十分鐘后打擊地球。這些高能粒子的能量可以達到兆電子伏特級別，足以穿透航天器的保護層，干擾航天器的電子元器件正常工作。太陽風暴的第三支弓箭，給了地球 1到4天的喘息時間，隨之而來是每秒奔馳數千公里的日冕物質與它攜帶的日冕磁場。這些物質中單個粒子的能量，雖然不如第二支弓箭彈那么強，但攜帶的日冕磁場像一把“鑰匙”，可以通過與地球磁層頂磁場地重連，打開地球的 “護甲” ，將物質和能量源源不斷地輸入到地球的磁場中，觸發整個地球磁場的劇烈擾動，也就是地磁暴。

▲太陽上爆發的一次日冕物質拋射

▲2011年爆發的一次X級太陽耀斑

惡劣的空間天氣會對航天器的運行產生嚴重的不利影響。1991年2月，太陽風暴產生的高能粒子穿透了風云一號B氣象衛星，使衛星上的姿態控制計算機出現故障，衛星剛剛在太空中工作半年就提前報廢。2003年萬圣節期間，連續爆發的強太陽風暴使日本的ADEOS-2對地觀測衛星報廢，還損壞了在火星附近工作的火星奧德賽號探測器的MARIE儀器。即便是那些幸免于難的衛星，也不得不關機或進入安全模式，暫停正常工作以規避惡劣空間天氣帶來的影響。同時，為了防止在國際空間站上工作的航天員遭受高能粒子帶來的過量輻射，地面控制人員命令航天員們進入防護能力更強的艙段避險，并關閉了國際空間站上的一些設施。

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中產生地磁感應電流，有可能燒毀大型變壓器等電網核心設備，進而引發大停電。1989年3月的一次劇烈太陽風暴使加拿大魁北克地區的電網崩潰，占加拿大總人口數約四分之一的居民失去了供電。此外，導航、通訊、民航等部門，同樣也會受到惡劣空間天氣的影響。

我們每天都可以收到氣象臺發布的天氣預報，而空間天氣同樣也是可以預報的。目前，我國的空間天氣預報主要由中科院、中國氣象局的研究預報機構發布。在航天發射前，他們要對發射窗口的空間天氣狀況進行詳細分析和預測，給出是否安全的結論。飛船在軌飛行期間，他們要不間斷地監測空間天氣情況，一旦有太陽風暴發生，他們在做出預報的同時還要評估太陽風暴對飛船各系統的影響，指導航天部門采取正確的應對措施。神舟九號發射前兩天，太陽突然爆發日冕物質拋射（CME）。預報人員準確預報了這次太陽風暴到達地球的時間，并判斷太陽風暴引發的地磁暴強度為小到中等，保障了飛船的正常運行。