断电9小时,600万人受影响,什么天气这么可怕?

断电9小时,600万人受影响,什么天气这么可怕?
2018年11月12日 10:05 新浪科技综合

  来源:我是科学家iScientist

  太阳和地球之间的空间真的是空空荡荡的真空吗?其实这一区域充斥着称为太阳风的稀薄电离气体。太阳风从太阳出发,不断吹拂地球,进而影响人类生活。南方科技大学地球与空间科学系教授刘凯军说,关心宇宙空间的天气,也是关心我们人类自己。让我们一起来领略空间物理的魅力吧。本文根据有意思博物馆演讲剧场——我是科学家‘宇宙深处,心之所向’现场演讲整理。

刘凯军演讲视频:刘凯军演讲视频:

  以下为刘凯军演讲实录:

  大家好,我叫刘凯军,来自南方科技大学地球与空间科学系。

  我研究的领域是空间物理,跟天体物理研究者们比起来的话,我的“眼界”窄一点,是研究离地球相对更近的太阳系空间——日地空间的一些物理过程。

  当时之所以选空间物理这个专业,也是一个美丽的错误。我上初中和高中的时候除了物理学得好之外,其它科目学都一塌糊涂,上大学的时候就想学物理。当时选的是北京大学,受当时社会环境的影响,我对航空航天特别感兴趣,想成为一名设计火箭卫星的设计师,做一些技术方面的工作。在北大,与“航天”最接近的专业可能就是空间物理了,就选了这个方向。学了几年之后发现,原来空间物理是研究空间环境的,也就是是火箭和卫星它运行的环境,而非空间技术本身。

演讲嘉宾刘凯军:《今天宇宙空间里的天气怎么样》演讲嘉宾刘凯军:《今天宇宙空间里的天气怎么样》

  说实话,那时候也是失望了很久,但是后来随着学习深入,逐渐发现空间物理也有很多奥妙、很吸引人的东西,所以就这样一直走下来了。

  我今天演讲的题目是《今天宇宙空间里的天气怎么样》。首先想展示太阳系里面星体的基本示意图。

  我相信在座的各位都对太阳系里面八大行星或者九大行星(因为最远的行星冥王星地位未定)应该都比较熟悉,图上拖着个尾巴、像个气团一样跑的那个是彗星。空间物理研究什么?我们研究这幅图里面黑洞洞的区域,也就是太阳系里除了星体之外的这块区域。

  也许有人会犯嘀咕:你开玩笑吧,我从中学的时候就知道这个区域是真空,里面什么东西都没有,你天天捣鼓这玩意?今天我就想给大家讲,这里并不是真空的,而是充斥着一种非常稀薄的物质。在太阳系里,我们称这种物质为太阳风,而它存在的证据就是彗星。

  彗星飞行的时候拖着一个长长的尾巴,很漂亮。我估计很多朋友知道彗星的尾巴是怎么产生的:彗星有彗核,组成成分主要是冰和尘埃,像是一个很大很脏的雪球,在太阳的照射之下,这个大雪球发生了汽化,当彗星移动的时候把这些气体抛在了后面形成彗尾。

  但是如果仔细看这张图,会发现除了我们熟悉的白色的、比较明亮的彗尾之外,还有一条蓝色的、稍微暗一点的彗尾。这个彗尾是怎么来的呢?这就要从我们太阳风谈起了。

  这是美国的一个观测器观测的结果。可以看到从太阳表面不断的喷射出一些流体。我们知道固体受热之后变成液体,液体受热之后变成气体,温度再继续升高之后气体会变成什么呢?这时温度特别高,以至于物质原子和分子中的电子就跑掉了,电离形成等离子体。太阳表面温度就特别的高,物质电离之后形成等离子状态的流体,从太阳喷射出去。

  等离子体状态的物质并不是太阳系独有的,整个宇宙空间都充斥着这样的等离子体。据有些科学家估算,虽然这种等离子体的密度非常的低,可是它的体积庞大,整个宇宙空间里都充斥着这种稀薄的气体。统计认为宇宙空间99%的物质都是等离子体状态。

人类对等离子体并不陌生,我们日常生活中间也充斥了各种等离子体。人类对等离子体并不陌生,我们日常生活中间也充斥了各种等离子体。

  比如家用的日光灯管发光的时候,灯管里面的气体就处于一种弱放电的等离子状态;闪电发生的时候造成大气的击穿放电,也会产生少量的等离子体;而人类未来能源的主要希望,可控核聚变,也是因为我们还没有找到有效束缚等离子体的办法而暂时无法实现——核聚变产生的巨大能量能够使得周围的物质处于等离子体状态,无法有效束缚这些等离子体也就无法实现持续的可控的核聚变。而这一科学挑战也是当前等离子体物理研究的主要动力之一。

  让我们重新回到空间物理和太阳风。从太阳表面不断吹出来的等离子体流就是太阳风,当太阳风吹到彗星的时候,发生了什么呢?

  原来,在太阳光的照射下,彗星的冰核不但可以气化,而且还有一小部分被电离成为等离子体。当太阳风吹到彗星时,两股等离子体流可以相互作用,以至于彗星的等离子体尾巴被太阳风吹“歪”了,一直背向太阳。可见,这条彗尾的存在给太阳风的存在提供了有力的证据。

  太阳风离开太阳之后吹向广阔的宇宙空间,与太阳系里的各个天体、行星之间有复杂的相互作用。我们作为人类,肯定更关心它会怎样影响地球的空间环境,怎样影响我们自己的生活。大家肯定都知道地球有地磁场,磁场看不见摸不着,但确实存在。

  如果在一个磁铁周围撒上铁粉,就会出现一个有意思的形状。为了形象地展示磁场的特性,人们引入了磁力线的概念,就是沿着铁粉的分布形状画一些虚线,认为磁场有这样一个位形。

  地球的磁场有这样一个特殊的形状,由于太阳风是带电的,在电磁力的作用之下,太阳风在吹向地球的时候没法穿越磁场,只能绕着磁场转,并且在地球的周围形成一个空腔,我们称这个空腔为地球的磁层,它是由地球的磁场来主导的。

  大家现在都在讲情调,太阳风吹着地球的磁场变化就好像风吹过杨柳一样富有诗意。

  当然,像我们平常遇的风一样,太阳风也是千变万化的,它的状态、密度、速度都会有各种各样的变化。当太阳风发生变化的时候,也会使得地球磁场的位形发生很大的变化。而地球磁场的变化——我们知道变化的磁场可以产生电流——就会对我们日常的生活产生很多影响。

  空间物理主要就是去研究太阳的变化会如何影响地球表面的这些变化,也就是我们说的空间天气。空间物理研究的一个主要目的,就是希望能理解这其中的物理过程,在未来发展出像现在天气预报一样的模式,能够准确地预报今天空间天气怎么样,减少它对我们的生活的影响。

  虽然说太阳风离我们很遥远,但是通过对地球磁场的扰动,可以对我们的生活产生各种各样的影响。比如对卫星通信、卫星导航的精度都有影响,还对地面的大型高压输电线路有影响。1989年的时候,加拿大魁北克省就因为一个很大的空间扰动,我们称之为空间风暴、太阳风暴或地磁暴,当地输电线路受到了很大的损害,断电九个小时,大概有600万人受到影响。

这个动画形象地展示了空间天气的整个过程。这个动画形象地展示了空间天气的整个过程。

  太阳表面一直向外吹等离子流,也就是太阳风,太阳风经过漫漫征途到达地球,与地球磁场相互作用。因为地球磁场的保护,太阳风无法直接影响人类的生活,但是因为地球的两极磁场的保护不是特别好,一些等离子体还是可以渗透进来投射到地球两极的表面,形成极光,非常漂亮。所以除了预测空间天气这种现实意义之外,空间物理中的的很多现象也是美轮美奂,这也是为什么经过多年的学习和研究之后,我越来越喜欢空间物理。

  生活在地球的人类其实非常幸运,因为我们有地磁场的这样的保护,但是太阳系里面的其它星球就不这么幸运了。比如火星,它的磁场非常微弱,以至于太阳风可以直接吹向火星的表面。这样的吹蚀,把太火星表面的中性大气慢慢地吹走了。虽然速率比较缓慢,但是经过上百万年、上亿年的这样一种吹蚀,火星表面的气体损失了很多,所以现在火星并不适合生命的存在。现在很多空间科学家在进行这种行星大气演化的研究,就是为寻找地球之外宜居的星球提供指导。

  空间科学、空间物理是探索的科学,过去人类从陆地走向海洋,随着科技能力的增长,我们开始走向深空。在走向深空的过程中,人类开始关心太阳,关心地球以外的各个行星,木星、土星,甚至天王星,和这些星球的相互作用(就像地球周围有磁层一样,这些星球周围也有磁层)。我们人类非常有雄心壮志,未来必将越走越远。

  正如地球所在的太阳系里有太阳风,太阳系所存在空间里面也有星际风。星际风吹向太阳,就像太阳风吹向地球一样,它在太阳的周围形成一个空腔,我们称之为日球层。

  上面这张图跟刚才大家看到地球磁层的形象可能不太一样,也许有些人觉得中间蓝色的圆很漂亮。这是因为内部太阳风速度会快,是超声速的,当它到达日球层外围时会减速形成一个激波结构,被叫做终极激波。

  这张图里面还展示了两个飞行器,一个是旅行者1号,一个是旅行者2号。它们是1977年由美国发射的,正好跟我同岁,经过41年的漫漫征途,终于从地球飞到了太阳系的边界,现在正在给研究空间科学的科学家提供第一手的观测资料——很多空间科学家就是通过研究旅行者1号和2号的观测资料,来探索这一块未知的空间到底有什么特性、有什么样的物理过程的。

  随着中国国力的增强,我们也开始有自己的空间探测项目,我的有些同行正在推动一个中国自己的、类似于旅行者1号和2号的探测项目。他们计划在2049年,我们百年国庆的时候,中国自己的飞行器能够飞到太阳系的边缘,来探测空间物理研究的前沿区域。

  最后,我想用齐奥尔科夫斯基的一句话来作为总结,因为最早提出航天探索的基本概念,以及作出了火箭动力的奠基性研究,他被称为人类航天旅行之父。他说,地球是人类的摇篮,但是我们不可能一直生活在摇篮里面,开始的时候我们会小心翼翼地走出大气层,然后我们去争征服整个太阳系,将来我们还会走向更远的深空。

那么在出门之前,我们肯定想要问一句:今天,宇宙空间的天气怎么样?

  那么在出门之前,我们肯定想要问一句:今天,宇宙空间的天气怎么样?

  谢谢大家!

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