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从日全食说起:与人类密切相关的空间天气学

http://www.sina.com.cn  2009年04月03日 16:18  《中国国家天文》

  文/方成

  导语:“日冕物质抛射”和 “耀斑”等太阳的剧烈活动常引起空间环境发生灾害性变化,带来巨大损失。这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,被称为“空间天气”。空间天气学就是研究空间天气变化的起源和规律、并做出预报的一门学科。由于各方面的巨大需求,空间天气学研究正迅速成为国际科技活动的热点之一。

  大家都知道,当月球走到太阳和地球中间,并完全遮挡掉太阳光球的强光时,在地球上就产生了日全食现象。日全食时,白昼突然间变成黑夜,群星闪耀,气温下降,飞禽走兽因黑夜突然降临而惊惶不安,壮丽无比的倍利珠像耀眼的珍珠一样突然出现在黑色月轮的周围,刹那间又显现出红色的太阳色球层和银白色的日冕。日全食这种最为奇特而又壮观的天象,自古以来,吸引着无数人的敬慕和注目。1997年3月9日我国最北部漠河地区的日全食,虽然持续时间只有2分46秒,却吸引了全国2亿多人通过中央电视台直播进行观看。去年8月1日在我国西北地区发生的日全食,持续时间还不到2分钟,却依然吸引了国内外天文学家和广大天文爱好者的关注和观看。特别要提到的是,今年7月22日在我国长江流域的广大地区将又一次发生日全食,持续时间长达5分钟~6分钟。这次极为难得的罕见日全食必将吸引千千万万民众的观看,同时也将吸引天文学家的仔细观测和研究。

  从观看的角度说,日全食时最壮观、最美丽的要算日冕了。日冕可以呈现出多种美轮美奂的图案:有伸向远处的细丝状纤维,也有尖角形的盔状结构,更有美丽的羽毛状结构从太阳两极扩展开去。日冕中发生的最壮观、对人类影响最大的现象是突然的大规模物质抛射,称为“日冕物质抛射”(Coronal Mass Ejection,简称CME)。例如由太阳和太阳风层探测器(SOHO,SOlar and Heliospheric Observatory) 观测到的发生在1998年6月2日和2000年11月8日的两个典型的日冕物质抛射事件,充分显示了CME规模之大和结构之复杂。日冕物质抛射从太阳上抛射出来,在日地空间造成了剧烈的扰动,如果恰好对着地球传播过来,就常常给地球磁层、电离层和中高层大气、卫星运行和安全,以及人类活动带来严重影响和危害。人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为“空间天气”(Space Weather)。空间天气学就是研究空间天气变化的起源和规律、并做出预报的一门学科。

  从太阳到地球表面,要经过行星际空间、地球磁层、电离层、以及大气层这样一些物理状态很不相同的空间区域。在这些空间区域中,物质密度的变化可达20个量级,温度变化达4个量级,磁场变化达6个量级。太阳上剧烈活动(主要是CME和所谓的“耀斑”)的巨大辐射能量和物质抛向地球,常引起空间环境发生灾害性变化,给人类带来巨大损失。

  太阳上发生的日冕物质抛射和耀斑等剧烈活动,不仅伴随有很强的紫外线、X射线和γ射线辐射,而且还产生了许多高能粒子(包括电子、质子和重离子等),还可抛射出大量携带着磁场的等离子体物质,产生强大的激波和各种扰动。所有这些都会严重影响到地球及其附近空间的物理状态,从而产生一系列严重的后果。例如,损坏人造卫星上的仪器和太阳能电池板,使卫星控制失灵,使卫星轨道变化和高度降低;威胁宇航员的安全;造成地磁暴和电离层暴,从而严重影响导航和通讯等;强大的感应电流甚至可以造成输电线路和设备的损坏,造成输油管的锈蚀和损坏等。太阳活动还会影响地球的气候和人类的健康等。

  1989年3月太阳上发生很强的耀斑和CME事件,造成历史上罕见的空间灾害性天气事件,造成卫星提前陨落、无线电通信中断、轮船和飞机的导航系统失灵、美国核电站变压器烧毁、加拿大北部电网严重损坏,致使600万居民停电9小时,直接经济损失达5亿美元,引起国际社会的震惊。从这以后,各国加强了对太阳活动和日地空间扰动的监视、观测和研究。研究发现,几乎每年都有重大的空间灾害性事件发生,如1982年Marecs-B航海卫星因太阳质子事件而失效;1994年5月太阳质子事件使日本电视卫星2BS-3a讯号中断;1998年5月美国的银河4号通信卫星失效,造成美国80%的寻呼业务停顿,金融交易陷入混乱;2000年7月太阳质子事件使SOHO卫星太阳能电池板性能退化,日本ASCA卫星因电池损坏而提早结束使命,还使另一颗卫星Akebono的控制系统失灵;2001年7月和2003年10月的太阳活动使日本又先后损失两颗卫星,迫使日本改变空间计划等。我国“风云二号”和“澳星”首次发射的失败也与灾害性空间天气有关。据统计,1971年2月至1986年11月美国卫星出现的1589次异常事件中, 70%与卫星所处的空间环境有关,空间环境直接诱发的异常事件占16.7%。中国的卫星故障分析表明,约40%的航天故障与日地空间环境中的灾变有关。此外,空间天气的灾害性变化还可造成电离层剧烈扰动,严重影响短波通讯和导航等。它可以使短波测向系统和雷达系统的性能严重下降,例如,甚低频无线电导航定位误差可高达几十海里,GPS定位误差可高达百米,且随机变化。2001年4月1日中美南海撞机事件后,仅从当日至13日就发生了9起太阳爆发事件,造成短波通讯长时间中断或受干扰,影响了搜救和联络。

  此外,地球平均气温的变化、臭氧含量变化以及人类健康(如心血管疾病)等与空间天气变化的关系也日益受到科学家们的关注。

  正是由于人类社会面临发展高科技以及国家安全的巨大需求,空间天气学研究正迅速成为国际科技活动的热点之一。除美国外,欧洲空间局、法国、德国、英国、意大利、俄国、加拿大、日本、澳大利亚等数十个国家和国际组织都制定了空间天气计划,把它作为关系国家发展的,具有战略性、前瞻性和基础性的重大优先科学领域来安排。国际上许多科学组织积极推进国际合作,如组织实施“国际日地能量计划”(STEP)、“太阳周研究计划”(ISCS)、“国际与星同在”(International Living with a Star)计划、“日地系统空间气候和天气计划”(CAWSES)等,加大了空间天气研究力度。

  在许多国家政府大力投入及科研部门与众多科学家的努力下,近年来,空间天气学得到了迅速的发展,取得了许多重要的成果。90年代以来,一些国家相继发射了30颗以上有关空间天气的科学实验卫星和空间环境监测卫星,如“阳光”卫星(YOHKOH)、CLUSTER卫星、SOHO卫星、ACE卫星、WIND卫星、GOES系列卫星、太阳过渡区与日冕探测器(TRACE)、伽马射线观测卫星(RHESSI)、日地关系观测台(STEREO)、“日出”卫星(Hinode)等。SOHO卫星于1995年12月2日发射升空,至今已观测到上万个CME。伽马射线观测卫星(RHESSI,Ramaty High Energy Solar Spectroscopy Imager)于2002年2月5日发射,是新一代的太阳高能探测卫星,不仅可以获得太阳耀斑在X射线和γ射线波段的高谱分辨的能谱,而且可获得高保真度的X射线和γ射线成像, 至今已观测到15000多个太阳耀斑。日地关系观测台(STEREO,Solar TErrestrial RElation Observatory)于2006年10月25日发射,它利用2颗卫星分别从两个方向观测CME,可研究CME的空间结构和演化。“日出”卫星(Hinode)于2006年9月22日发射,上面装备有至今最大的在空间观测太阳的50厘米口径光学望远镜,空间分辨率可达0.2角秒,还安装了分辨率达1角秒的X射线望远镜和有多个波段的紫外成像分光仪。目前美国和欧洲还计划发射太阳动力学天文台(SDO,计划今年内发射)、太阳轨道天文台(Solar Orbit)和“太阳哨兵”(Solar Sentinels)等。

  近年来,通过大量的空间和地面观测,人们发现了CME 和耀斑的一系列新的特性和规律,发现了这些太阳活动所产生的各种扰动在日地空间传播并影响地球空间天气的一些规律,并通过数值模拟进行了详细的研究,提出了相应的理论模型。根据观测和理论模型,初步建立了空间天气的预报方法和预报体系。空间天气学迎来了朝气蓬勃的发展时期。

  通过近三十年来大量的观测和研究,现在人们对CME的特性已有了一些基本的了解:CME是太阳大气中最剧烈、太阳系中尺度最大的爆发事件,具有许多不同的表观形态和结构,如环状、泡状、晕状、束流状和扇形等;平均张角在纬度方向为47度,在经度方向可达180度以上;一次CME事件可抛射出一亿吨至百亿吨的物质,速度为50千米/秒~2000千米/秒,能量的典型值为1023焦耳~1025焦耳;许多CME由亮环、暗穴和亮核三部分所组成;有些CME离开太阳后其磁场仍同太阳相连,如果其中的磁场足够强,则在行星际空间能观测到磁云结构;如果CME到达地球附近时携带有南向磁场分量,则很可能会造成较大的地磁暴和其它的强扰动;CME同太阳上的暗条爆发关系密切,同耀斑关系也相当密切,它们不是因果的关系,许多人倾向认为耀斑与CME是耦合的过程,它们都是一个过程在不同层次的表现;CME同太阳射电Ⅳ型暴和Ⅱ型暴关系密切;CME的数目随太阳活动周期而变化:太阳活动极小年附近平均每天0.2个~0.3个,太阳活动极大年附近则每天可发生3个~4个。但是,目前对CME的前兆、源区情况、储能过程及产生机制仍然不大清楚,对CME到达地球附近时影响地磁层、电离层和中高层大气的过程和机制也需要进一步仔细研究。

  人们对太阳耀斑的研究已有几十年的历史。太阳耀斑是太阳大气局部区域突然变亮的活动现象,常伴随有各种波段的增强的电磁辐射和粒子发射。它是太阳系内迄今观测到的最激烈的活动事件之一,也是太阳活动区物理中最为引人注目的研究对象之一。一个典型的耀斑常常在十几分钟的时间尺度内释放出1022焦耳~1025焦耳的能量。目前普遍认为耀斑的基本结构是环或环系,耀斑的能量来自磁能的释放,耀斑的触发和能量释放很可能是在日冕内发生的。日冕环物质在短时间内可加热到几千万度,电子和离子被加速到很高的能量。部分高能粒子和热能沿环传输到达环的足部,使色球甚至光球加热和电离,产生了光学耀斑(Hα耀斑),同时使色球物质蒸发,产生了大量高温等离子体,使软X射线辐射大大增强。高能电子的回旋同步辐射和轫致辐射分别激发了射电暴和硬X射线暴。此外高能离子和可能的核反应有时还产生γ射线辐射等。因此,耀斑是一种伴随有各种辐射的十分复杂的动力学过程,需要全波段的综合研究。目前对耀斑前的储能过程、能量的释放机制 (尽管磁场重联是公认的可能机制,但仍缺少观测的直接证据,三维磁重联过程也有待仔细研究)、高能粒子的加速机制,以及耀斑能量的传输过程等仍需深入研究。

  经过多年的努力,我国对空间天气方面的研究已积极地开展起来。空间天气研究已成为我国中长期科技发展规划和我国基础学科重要的优先发展领域之一。重大基金项目“日地空间灾害性扰动过程及其对人类活动的影响”已顺利结题,国家第二批重大科学工程“东半球空间环境地面综合监测子午链”(“子午工程”)已启动,973项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”已顺利完成,正在执行后续的973项目“日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究”等。特别要提到的是,我国正积极地开展与空间天气有关的空间探测。“地球空间双星探测计划” 已成功实施;2001年上半年,紫金山天文台和高能物理研究所研制的γ射线和X射线探测器已成功地在“神舟二号”飞船上搭载并观测到太阳的X射线暴和γ射线暴。在“风云”号系列卫星上也已开展了空间环境的监测。所有这些标志着我国在空间进行空间天气的观测已全面启动。正在预研“空间太阳望远镜”、“夸父”卫星和中法联合研制的“太阳爆发探测小卫星” (SMESE)等将使我国的空间观测进入新的时代。所有这些都表明,空间天气研究已得到我国政府和有关部门的重视,在我国科技发展总体布局中占有重要地位。

  我国在空间天气研究方面已取得了一系列可喜的成果。目前已有近10台太阳的观测设备投入观测,包括国家天文台的先进的太阳磁场望远镜和太阳全日面向量磁场望远镜,各天文台联合研制的高时间分辨率的太阳宽带射电动态频谱仪,南京大学60厘米口径太阳塔,紫金山天文台多波段成像光谱仪,云南天文台全日面Hα监视望远镜等。它们都有一定的特色。近年来,中国科学院又启动了射电日像仪和1米口径真空太阳塔的研制工作,南京大学和云南天文台合作研制的“光学和近红外太阳爆发探测望远镜”(ONSET)也在积极进行之中,可望于今年投入观测。所有这些新的地面和空间望远镜将使我国的太阳物理研究进入世界先进行列,为空间天气学的研究提供太阳观测的重要基础。

  我国在耀斑和CME的特性和机制、它们在日地空间中的传播,以及它们对地球磁层、电离层和中高层大气的影响的研究中也都取得了许多成果。例如,提出磁对消、磁剪切和磁流浮现可以触发CME,通过数值模拟提出了磁流浮现和磁不稳定性产生CME的新模型,发展了日冕磁场和扰动传播的数值模拟方法,提出了磁层中涡流磁重联的新理论,首次发现了磁层空间中磁场重联的观测证据,对磁暴和磁层亚暴的产生机制提出了新的观点,在磁暴的预报方面取得了进展,建造了双波长高空激光雷达等一批探测中高层大气和电离层的新设备,在电离层扰动和各因素的耦合研究方面取得了进展,在中高层大气对太阳扰动的响应及扰动的三维传播方面也有很好的成果。此外,中国科学院的空间科学与应用研究中心和各天文台,及国家气象局等一些单位对太阳活动和空间天气的预报方法已进行了许多研究,并已开始定期或不定期的做出空间天气的预报,在保障我国“神舟”号系列卫星的安全发射和飞行中做出了重要贡献,为国防和民用的有关部门提供各种服务等。

  综上所述可以看到,空间天气学研究是新世纪新兴的基础研究重大前沿领域之一;人类社会对空间天气学研究发展的需求与日俱增,我国更面临发展高科技和保卫国家安全的战略需求。我国在这些领域已有相当基础和一定优势,今后要进一步加强宏观指导,在统一的科学目标之下,组织多学科交叉的协同攻关,特别是要大力发展我国有特色的空间探测计划和地面观测设备,使我国跻身空间天气研究领域的先进国家之列,为我国社会的发展和国家安全做出重要贡献。

  (责任编辑:吴蕴豪)

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