/ 空間物理學(xué)是什么
空間物理學(xué)是利用空間飛行器直接探測和研究太空中的物理現(xiàn)象和過程的學(xué)科，它是人類進(jìn)入太空時(shí)代之后的產(chǎn)物，是一門年輕的學(xué)科。1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號”（Sputnik 1），標(biāo)志著人類進(jìn)入太空時(shí)代，美國則于1958年1月31日發(fā)射了“探險(xiǎn)者1號”（Explorer 1），雖然落后于前蘇聯(lián)，但是探險(xiǎn)者1號有一個(gè)具有劃時(shí)代意義的發(fā)現(xiàn)——我們地球附近的空間區(qū)域中匯集了大量的帶電粒子（圖1），這個(gè)區(qū)域叫做范艾倫輻射帶，為了紀(jì)念它的發(fā)現(xiàn)者范艾倫（Van Allen，1914-2004）。輻射帶的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著空間物理學(xué)的開啟，同年美國成立了國家航天局（NASA）。
圖1 范艾倫輻射帶
空間物理學(xué)的研究范圍是空間飛行器能夠到達(dá)的太空區(qū)域，目前人類飛的最遠(yuǎn)的探測器是1977年發(fā)射的“旅行者1號”（Voyager 1）和“旅行者2號”（Voyager 2），它們在太空中飛行了40多年，已經(jīng)到達(dá)了太陽系邊緣，其中旅行者1號和旅行者2號分別于2012年8月25日和2018年11月5日飛出了日球?qū)禹?，而隨著人類太空探索技術(shù)的進(jìn)步，空間物理學(xué)的研究范圍將會(huì)朝著更廣闊的宇宙空間擴(kuò)展。
空間物理學(xué)的研究意義深遠(yuǎn)，它不僅能幫助人們預(yù)警和預(yù)報(bào)災(zāi)難性空間天氣（如太陽爆發(fā)引起的地球磁暴），保障太空探索的安全，更是為了探索宇宙空間，實(shí)現(xiàn)人類對真理和本質(zhì)的不懈追求。
/ 太陽爆發(fā)
我們的太陽并不是平靜的，太陽表面幾乎每天都在發(fā)生劇烈的太陽爆發(fā)事件，像地球上的地震、火山噴發(fā)一樣，太陽爆發(fā)也是一種短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量的物理過程。
太陽爆發(fā)主要分為兩大類：太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射。耀斑（圖2）是指太陽表面發(fā)生的局部突然增亮，從射電到硬X射線波段的電磁輻射都會(huì)增強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間從幾十秒到幾個(gè)小時(shí)。在大耀斑期間，紫外線和X射線可增強(qiáng)100倍，一次大耀斑釋放的能量高達(dá)10^25焦耳，相當(dāng)于1千億個(gè)廣島原子彈，在太陽活動(dòng)高年，每天平均有數(shù)個(gè)耀斑發(fā)生。日冕物質(zhì)拋射是指太陽向行星際空間拋射出大量高速運(yùn)動(dòng)的團(tuán)狀物質(zhì)（圖3），一次大的日冕物質(zhì)拋射可拋出10億噸物質(zhì)，速度最高可達(dá)2000km/s，拋出的這團(tuán)物質(zhì)在太陽附近的尺度經(jīng)常比行星還大，太陽活動(dòng)高年每天平均也有數(shù)個(gè)日冕物質(zhì)拋射發(fā)生。
圖2 不同波段下觀測到太陽耀斑
圖3 日冕物質(zhì)拋射與行星和冥王星的大小比較
耀斑目前被認(rèn)為是由太陽大氣局部區(qū)域中的磁重聯(lián)過程引起的爆發(fā)現(xiàn)象。在磁重聯(lián)過程中（圖4），兩條不同方向的磁力線互相靠近，磁力線會(huì)斷裂并重新連接，磁場被中和，而原先儲(chǔ)存在磁場中的能量被突然釋放，加速粒子、加熱等離子體。日冕物質(zhì)拋射一般被認(rèn)為是日冕物質(zhì)被加熱和加速，當(dāng)其速度超過太陽表面的逃逸速度時(shí)，這部分物質(zhì)被拋射到行星際空間。耀斑和日冕物質(zhì)拋射在觀測上存在一定的相關(guān)性，它們可能是同一個(gè)物理過程的不同表現(xiàn)，但是目前關(guān)于耀斑和日冕物質(zhì)拋射的關(guān)系還沒有定論。
圖4 磁重聯(lián)過程示意圖
太陽爆發(fā)會(huì)把大量的能量、物質(zhì)、高能粒子以及電磁輻射注入到行星際空間，當(dāng)它們傳播到地球時(shí)，會(huì)引起地球空間環(huán)境的劇烈擾動(dòng)，引發(fā)災(zāi)害性空間天氣，如磁暴和電離層暴，對人類的航空航天活動(dòng)以及日常生活產(chǎn)生影響。
/ 地球磁暴
太陽爆發(fā)產(chǎn)生的高速等離子體到達(dá)地球時(shí)，會(huì)壓縮地球的磁層，同時(shí)大量帶電粒子注入地球磁層，這些帶電粒子會(huì)圍繞著地球運(yùn)動(dòng)，造成地球環(huán)電流的增強(qiáng)，引發(fā)全球性的地磁擾動(dòng)，即地球磁暴。磁暴期間（圖5），地面地磁臺(tái)站會(huì)檢測到地磁場水平分量會(huì)在1到幾個(gè)小時(shí)內(nèi)急劇下降，在隨后的幾天內(nèi)恢復(fù)，我們通常用磁場下降的幅度——Dst指數(shù)（磁暴環(huán)電流指數(shù)，單位nT）來衡量一次磁暴的強(qiáng)弱。如1859年卡靈頓大磁暴，Dst=-1700nT，釋放的能量約為5×10^16焦耳，相當(dāng)于800個(gè)廣島原子彈的能量，正所謂“太陽吼一吼，地球抖三抖”。
圖5 1859年磁暴發(fā)展過程中地磁變化記錄，摘自Tsurutani et al. (2003)
太陽爆發(fā)帶來的影響絕不止這些。磁暴期間，空間高能帶電粒子的通量也會(huì)急劇增大，高能電子會(huì)穿過衛(wèi)星的蒙皮，沉降在衛(wèi)星的絕緣材料上，同時(shí)產(chǎn)生大量次級電子，造成衛(wèi)星內(nèi)部電荷積累從而引發(fā)放電，擊穿或損壞衛(wèi)星電子元器件，因此這些電子被叫做“殺手電子”。2010年5月11日，“殺手電子暴”導(dǎo)致美國通訊公司AT&T的一顆通信衛(wèi)星報(bào)廢，變成了一顆“僵尸衛(wèi)星”，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到5億美元。
磁暴期間，地磁場的變化還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場，在長距離輸電線路上產(chǎn)生很高的電勢差，損壞大型變壓器。1989年3月加拿大魁北克大停電，停電時(shí)長9小時(shí)，波及600萬人，造成數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)損失，罪魁禍?zhǔn)拙褪谴疟?/p>
太陽爆發(fā)產(chǎn)生的高能帶電粒子和電磁輻射還會(huì)引起電離層擾動(dòng)，影響導(dǎo)航信號在電離層中的傳播，干擾導(dǎo)航系統(tǒng)甚至使其失靈。此外，這些高能粒子輻射還會(huì)對人類空間活動(dòng)產(chǎn)生影響，因?yàn)楦吣芰Ｗ涌梢灾苯哟┩赣詈椒M(jìn)入細(xì)胞破壞DNA分子結(jié)構(gòu)，誘發(fā)癌癥，嚴(yán)重可致人死亡。由此可見，隨著科技的發(fā)展，太陽爆發(fā)對人類的影響已經(jīng)滲透到了各方各面，因此如何預(yù)警和預(yù)測這些災(zāi)害性空間天氣一直是空間物理學(xué)的熱門問題之一。
/ 極光
事物都有兩面性，太陽爆發(fā)給人類造成如此多不便的同時(shí)，也帶來了一件美麗的禮物——極光。極光是一種發(fā)生在高緯地區(qū)大氣發(fā)光現(xiàn)象，一般以綠色和紅色為主（圖6）。早在公元前的亞述文明和巴比倫文明就有觀測記錄，中國古書上也曾多次記載過疑似極光的天象，《山海經(jīng)·大荒北經(jīng)》中記載了一種叫燭龍的神獸，“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，其視乃明。不食，不寢，不息，風(fēng)雨是謁。是燭九陰，是謂燭龍……”，很可能就是古人看到了極光之后想象出來的。
圖6 美國阿拉斯加的極光 攝影 / 宗秋剛
極光其實(shí)是高能粒子與高層大氣的原子分子作用引起的大氣發(fā)光現(xiàn)象。磁暴期間，高能帶電粒子沿著地球磁場運(yùn)動(dòng)到極區(qū)，沉降到大氣中，與大氣層中的原子和分子碰撞使其激發(fā)，這些原子和分子回到基態(tài)時(shí)輻射出光子，產(chǎn)生了不同顏色的極光（圖7）。人眼能看到的可見光波段的極光是由電子產(chǎn)生的: 在地面200km以上，氧原子被電子激發(fā)后發(fā)出紅光；在100-200km，氮原子被激發(fā)產(chǎn)生藍(lán)光，氧原子被次級電子激發(fā)產(chǎn)生綠光；在100km以下，氮分子被激發(fā)產(chǎn)生紫紅色的光 。
圖7 不同顏色的極光產(chǎn)生的機(jī)制
極光產(chǎn)生的區(qū)域通常位于地磁緯度65°-75°之間，是一個(gè)以地球磁軸為中心的橢圓形帶狀區(qū)域，叫做極光橢圓帶（圖8）。因此，一般只有在磁緯很高的地區(qū)才能看見極光，如加拿大北部、阿拉斯加、冰島、格陵蘭島、挪威、瑞典、芬蘭和西伯利亞。由于地球磁軸和自轉(zhuǎn)軸有一個(gè)11.5°的夾角，且向北美偏移，中國現(xiàn)在的地磁緯度低，即使漠河的地磁緯度也只有43.9°，因此中國境內(nèi)通常看不到極光，只有在非常大的磁暴期間（發(fā)生概率為數(shù)十年一次）才會(huì)看到極光。
圖8 極光橢圓帶示意圖
/ 高能粒子
行星際空間中分布著很多高能帶電粒子。有些高能帶電粒子是在太陽和行星際中被加速的，叫做太陽高能粒子(圖9)，比如太陽爆發(fā)就會(huì)產(chǎn)生大量太陽高能粒子；有些則來自太陽系之外甚至銀河系之外，叫做宇宙射線。這些高能帶電粒子是空間物理學(xué)的重要研究對象之一，研究它們可以幫助我們理解在宇宙空間中的高能粒子的起源、加速和傳播過程，也可以幫助我們預(yù)警和預(yù)報(bào)災(zāi)害性空間天氣效應(yīng)。
圖9 太陽高能粒子觀測，摘自Wang et al. (2011, 2016)
高能帶電粒子的加速機(jī)制有很多，如磁重聯(lián)中的直流電場加速，磁流體激波中的漂移加速和擴(kuò)散加速，以及波粒相互作用導(dǎo)致的隨機(jī)加速等等。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙射線是由超新星爆發(fā)產(chǎn)生的激波加速而形成的（圖10），而耀斑和日冕物質(zhì)拋射是太陽高能粒子的重要加速源。
圖10 超新星爆發(fā)形成的蟹狀星云
高能粒子一般通過衛(wèi)星的實(shí)地觀測來研究，高能粒子的通量、能量和角度蘊(yùn)含了這些粒子的加速和傳播的重要信息，研究這些物理量隨時(shí)間和空間的演化可以揭示這些高能粒子加速和傳播機(jī)制。
目前在軌的空間科學(xué)衛(wèi)星共有27顆，這27顆衛(wèi)星構(gòu)成了太陽物理學(xué)系統(tǒng)天文臺(tái)（HSO，圖11）。近幾年發(fā)射的兩顆衛(wèi)星：“帕克”太陽探測器(Parker Solar Probe和太陽軌道探測器(Solar Orbiter)，將在靠近太陽處觀測太陽、太陽風(fēng)和高能粒子，期待它們能夠帶給我們更多的驚喜。
圖11 太陽物理學(xué)系統(tǒng)天文臺(tái)
/ 結(jié)語
自人類有文明以來，我們從未停止過對頭頂這片深邃而神秘的天空進(jìn)行探索，從“九天之際，安放安屬？”的詰問，到“這是個(gè)人邁出的一小步，但卻是人類邁出的一大步”的豪邁，人類已經(jīng)開啟了駛向星辰大海的遠(yuǎn)征，并將向著更廣闊的宇宙空間開疆拓土。最后引用宇航之父齊奧爾科夫斯基的話來結(jié)束這篇文章——地球是我們?nèi)祟惖膿u籃，但是人類不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。
問答部分 /
1. 日冕物質(zhì)拋射和太陽風(fēng)的關(guān)系？
答：太陽風(fēng)是太陽持續(xù)吹出的等離子體流，日冕物質(zhì)拋射是爆發(fā)性現(xiàn)象，是間斷性的，兩者都是太陽發(fā)出的等離子體。
2. 極光為什么有這么多顏色？
答：不同的原子和分子的能級之間能量差不同，會(huì)發(fā)出不同頻率的光子，因此產(chǎn)生不同顏色的極光。
3. 目前有哪些日球?qū)舆吔绲奶綔y計(jì)劃？
答：繼上世紀(jì)70年代美國的旅行者1號、2號之后，中國和美國都在計(jì)劃新的日球?qū)舆吔缣綔y任務(wù)，歐洲目前處于停滯狀態(tài)。
4. 日冕物質(zhì)拋射的物質(zhì)對太陽質(zhì)量有影響嗎？
答：太陽的質(zhì)量是2×10^30kg，10億噸對于太陽來說基本可以忽略不計(jì)。
5. 科技的發(fā)展會(huì)使人類應(yīng)對空間災(zāi)害性天氣時(shí)更脆弱嗎？
答：事物具有兩面性，科技的發(fā)展的確讓人類對空間環(huán)境的變化更加敏感，但是科技的發(fā)展也能讓我們更了解空間災(zāi)害性天氣，有更多的預(yù)警和防護(hù)手段。
6. 如何同時(shí)探測不同方向的高能粒子？
答：探測器有很多不同方向的開口，可以做到同時(shí)探測多個(gè)方向的高能粒子。
7. 蟲洞有可能存在嗎？
答：蟲洞是廣義相對論的引力場方程在數(shù)學(xué)上的一個(gè)可能解，但是物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，蟲洞在物理上是否存在還需要實(shí)驗(yàn)和觀測的支持。
8. 宇宙射線和太陽高能粒子的區(qū)別是什么？
答：首先它們源不一樣，一個(gè)來自太陽系外（銀河系或者河外星系），一個(gè)是太陽，其次它們能量范圍不同。進(jìn)入到日球?qū)觾?nèi)的宇宙線粒子的能量一般非常高，在10^9 eV以上，而太陽高能粒子的能量通常偏低，但是這兩者的加速過程會(huì)有一些共性。
編輯 / 懷塵
