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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(fēng)”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(dāng)它到達(dá)地球附近時，會與地球的磁場發(fā)生作用。強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴會引起地球磁場的劇烈變化，誘發(fā)地磁暴的產(chǎn)生。在人類活動尚不依賴高技術(shù)系統(tǒng)的時代，地磁暴除了會讓更多地方的人們有機(jī)會一睹美麗的極光外，并不會造成嚴(yán)重的后果。而現(xiàn)如今，嚴(yán)重的太陽風(fēng)暴將會對航天、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

太陽風(fēng)是如何被發(fā)現(xiàn)的？

在日全食發(fā)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(jié)構(gòu)便會呈現(xiàn)在太空中。在上世紀(jì)50年代初，天文學(xué)家們意識到，要支撐這些拱環(huán)和射線狀的結(jié)構(gòu)存在，接近太陽表面的日冕底部必須有很高的溫度。當(dāng)時，著名的空間物理學(xué)家西德尼·查普曼通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，日冕底部的溫度可能高達(dá)數(shù)百萬度。后來，對太陽大氣的觀測證實(shí)了這一點(diǎn)。

與此同時，天文學(xué)家路德維?！け葼柭⒁獾搅隋缧怯^測中的另一個有趣的現(xiàn)象。它發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彗星在太空中穿行時，會出現(xiàn)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(yuǎn)離太陽運(yùn)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(zhì)，吹拂著彗星，形成了這個特別的彗尾。經(jīng)過計(jì)算，他推測這種流動地速度應(yīng)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(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(qiáng)梯度力。在壓強(qiáng)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(dá)到超音速，形成了太陽風(fēng)。證實(shí)太陽風(fēng)吹拂了彗星的離子尾，使其總是指向遠(yuǎn)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(fēng)攜帶到太空中之后的基本形態(tài)。

▲太陽風(fēng)概念圖

太陽風(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。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，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“磁場凍結(jié)”的效應(yīng)，可以攜帶著磁場一起運(yùn)動。

我們可以用肉眼在天空中觀察到的太陽形態(tài)（切勿用眼睛直視太陽，否則會引起嚴(yán)重傷害！觀察太陽要使用專門地觀測慮光設(shè)備），實(shí)際上是太陽的光球?qū)?。在光球?qū)又?，太陽還有色球?qū)?、過渡區(qū)、日冕等圈層。日冕中的溫度高達(dá)數(shù)百萬度，已經(jīng)足以使太陽上的物質(zhì)變成等離子體態(tài)。在日冕高溫的驅(qū)動下，日冕上的等離子體向遠(yuǎn)離太陽的方向運(yùn)動并不斷被加速，最終達(dá)到超音速狀態(tài)，形成了太陽風(fēng)。在離開太陽時，由于等離子體的磁場凍結(jié)效應(yīng)，太陽風(fēng)還能攜帶著日冕磁場進(jìn)入了太空之中。太陽風(fēng)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(jīng)變得相當(dāng)稀薄的太陽風(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)有時大有時小，但總歸只是吹拂著萬物，不會產(chǎn)生什么其他的麻煩。但在暴雨、暴風(fēng)雪、臺風(fēng)等天氣中，狂風(fēng)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(fā)各類災(zāi)害。在從太陽表面到地球軌道乃至更遠(yuǎn)距離的太空中，太陽風(fēng)也存在著兩種狀態(tài)。一種是持續(xù)地從太陽上涌出的太陽風(fēng)所形成的狀態(tài)，研究者們將其稱為“背景太陽風(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刻發(fā)生的強(qiáng)烈的爆發(fā)事件，一旦擊中地球，將會對地球附近的空間環(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“太陽風(fēng)暴”。

按照我們目前對背景太陽風(fēng)的認(rèn)識，一般將背景太陽風(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。在太陽風(fēng)傳播的過程中，快太陽風(fēng)會擠壓慢太陽風(fēng)，形成一個被稱作“流相互作用區(qū)”的結(jié)構(gòu)。在流相互作用區(qū)掃過地球時，可能會在地磁場中觸發(fā)中小強(qiáng)度的磁暴。

▲太陽結(jié)構(gòu)示意圖

太陽風(fēng)暴主要有太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射兩種形式。當(dāng)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(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)拋射也是太陽風(fēng)暴發(fā)生時兩種相互聯(lián)系但性質(zhì)不同的現(xiàn)象。耀斑是太陽日冕中突然增亮的現(xiàn)象，耀斑發(fā)生的過程中磁場的能量急促地轉(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，地球上就能感受到耀斑的影響。而日冕物質(zhì)拋射，則是在磁場變化的驅(qū)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(fā)生后1～4天才會對地球產(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)拋射并不一定同時出現(xiàn)。但對于比較強(qiáng)的太陽風(fēng)暴，耀斑和日冕物質(zhì)拋射一般是伴生的。

太陽風(fēng)與空間天氣

在太陽風(fēng)暴的影響下，地球附近的空間環(huán)境會出現(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，即太陽風(fēng)對地球空間環(huán)境的影響。如果太陽活動相對平靜，地球只受背景太陽風(fēng)吹拂，那么此時的空間天氣狀況就比較好，相當(dāng)于我們?nèi)粘Ｉ钪嘘柟饷髅摹⑽L(fēng)習(xí)習(xí)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(dāng)于我們?nèi)粘Ｉ钪邢麓笥?、下大雪的壞天氣?/p>

劇烈的太陽風(fēng)暴，會向太空中射出三支“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，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(chǎn)生的高能帶電粒子，它在太陽風(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。太陽風(fēng)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(shù)千公里的日冕物質(zhì)與它攜帶的日冕磁場。這些物質(zhì)中單個粒子的能量，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(hù)甲” ，將物質(zhì)和能量源源不斷地輸入到地球的磁場中，觸發(fā)整個地球磁場的劇烈擾動，也就是地磁暴。

▲太陽上爆發(fā)的一次日冕物質(zhì)拋射

▲2011年爆發(fā)的一次X級太陽耀斑

惡劣的空間天氣會對航天器的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。1991年2月，太陽風(fēng)暴產(chǎn)生的高能粒子穿透了風(fēng)云一號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年萬圣節(jié)期間，連續(xù)爆發(fā)的強(qiáng)太陽風(fēng)暴使日本的ADEOS-2對地觀測衛(wèi)星報(bào)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(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(jìn)入防護(hù)能力更強(qiáng)的艙段避險(xiǎn)，并關(guān)閉了國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，同樣也會受到惡劣空間天氣的影響。

我們每天都可以收到氣象臺發(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，我國的空間天氣預(yù)報(bào)主要由中科院、中國氣象局的研究預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)發(fā)布。在航天發(fā)射前，他們要對發(fā)射窗口的空間天氣狀況進(jìn)行詳細(xì)分析和預(yù)測，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)測空間天氣情況，一旦有太陽風(fēng)暴發(fā)生，他們在做出預(yù)報(bào)的同時還要評估太陽風(fēng)暴對飛船各系統(tǒng)的影響，指導(dǎo)航天部門采取正確的應(yīng)對措施。神舟九號發(fā)射前兩天，太陽突然爆發(fā)日冕物質(zhì)拋射（CME）。預(yù)報(bào)人員準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了這次太陽風(fēng)暴到達(dá)地球的時間，并判斷太陽風(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。