互动科普

来自太阳的激波可以在地球周围的空间中引发剧烈的湍流，危及轨道上的卫星和宇航员。目前一艘新的空间探测器正在揭示空间风暴是如何形成的。

退场空间风暴始于巴士底日(7月14日，即法国革命爆发纪念日，现为法国国庆节)，而这一天恰好以暴烈行动闻名于世。2000年7月14日上午，美国科罗拉多州博尔德空间环境中心探测到专门监视太阳X射线活动以及地球气象状况的GOES-8卫星出现了一个报警的预兆。那一天的世界时10时零3分，空间环境中心的预报员发现，9077号活动区(过去一周中太阳表面上的一个动荡不停的部位)发射出的X射线强度突然急剧上升。这类数据表明太阳耀斑已经出现(太阳耀斑是太阳上的一种历时短暂但威力强大的辐射爆发)。

这次耀斑的强度在世界时10时24分达到最大值。 太阳与日光层天文台”(SOHO ，一艘位于地球与太阳之间，距地球约150万公里的空间飞船)也观察到了此耀斑。半个钟头以后，当这次耀斑爆发正趋于减弱之际，SOH0探测到了一种更加不祥的现象：一团明亮而不断扩展的云层象晕圈一样围绕着太阳。SOH0观察到的是日冕质量喷发(CME)，也就是太阳日冕层(即太阳外大气层)的一种爆发性活动。它把数十亿吨的带电粒子抛射到行星际空间中。观察到晕圈意味着这些粒子正对着地球急驰而来，其速度估计为每秒1700公里。

在CME进入太阳风时(太阳风是太阳持续不断地发出的一股离子化气体流)，它就产生一股澈波，此激波把部分带电粒子加速到更高的速度。不到一个钟头后，一般高能质子流就开始猛轰SOHO，使它的仪器一时间成了瞎子而无法进行观察。同时质子的轰击也损害了SOHO的太阳能电池扳，使它在短短24小时的时间里就遭受了正常情况下一年中所遭受的磨损。然而这一粒子洪流仅仅是空间风暴的前缘而已。CME驱动的激波在第二天到达，于当天世界时14时37分撞进地球的磁场。此撞击标志着一场猛烈的地磁风暴就此开始，而几个钟头之后CME本身的到达则使得这场风暴发挥出它的全部威力。按照空间环境中心所使用的地磁活动指数来衡量，巴士底日风暴是将近10年来最大的一次空间风暴。

地球上的绝大多数人对这场天空中的焰火表演一无所知，但研究人员则一直在密切地注视着这场风暴，通过各种地基与空间仪器来收集有关数据。跟踪这次风暴的卫星包括“磁场—极光全球探测成像器” 卫星(IMAGE)，此卫星是美国国家航空航天局(NASA)四个月前才发射的。IMAGE是第一颗专门用来获取磁层的全球图像的卫星(磁层是受地球磁场保护的空问区域)。这颗卫星使我们能够全面了解磁层活动的情况，它的作用与第一批气象卫星相仿——气象卫星提供地球大气层的资料，而IMAGE则提供空间磁活动的资料。

1996年，NASA委派我领导一个包括若干名工程师和科学家的小组．负责开发IMAGE空间探测器并分析它发送回来的数据。当巴士底日风暴正在横行之时，我们接收到了一些显示粒子环绕地球运行的令人震惊的图像以及明亮的北极光的照片(北极光是带电粒子撞击上层大气时所发出的光)。这些结果有助于科学家们回答有关CME及太阳风如何与地球磁层相互作用的若干老大难问题。此外这些发现也可能具有实际用途。空问风暴可能使卫星瘫痪，危及宇航员的安全，甚至对地面的电网造成破坏(见本页附文)。事实上，巴士底日风暴使高级宇宙学与天体物理学卫星报废(该卫星是日本空间研究机构于1993年发射的一个X射线观测站)。因此，科学家们急于改进空间气象预报的准确性，以期在将来尽量减轻空间风暴所造成的这类有害影响。

空闻风暴的起源

同地球上的天气一样，空间的气象也是变幻莫测的。刚才还是一片风平浪静，几分钟后就可能风暴大作。而且风暴可能持续数小时或者数天，而且，正如地面上的天气是随季节而变一样，空间的气象也有它自己的周期性变化。造成太阳耀斑和 CME 爆发的太阳磁活动反复地增强和晴弱，其周期为 11年。因此，地磁风暴也遵循相同的模式。巴士底日风暴是在太阳极大期内发生的（太阳极大期是太阳磁活动 11年周期中最强烈的一段时期）。空间气象也与太阳的自转周期 (27天)有关。当高速与低速的太阳风粒子流随着太阳的自转交替地扫过地球时，空间气象也随之变化，但不如发生空间风暴时那样剧烈。

然而，空间气象发生的物理过程与左右地面天气的物理过程完全不同。地面天气变化的媒介是地球低层大气中稠密而不带电的气体，它的行为受流体动力学法则和热力学法则的支配。而空间气象变化的媒介则是等离子体——由等量的带正电离子与带负电离子构成的极为 稀薄的气体。与地球大气中的原子和分子不同，这些等离子体粒子受电场和磁场的作用: 当等离子体粒子穿过地球周围的空间时，电场和磁场便支配粒子的运动并使其加速。

来自太阳的辐射能量加热地球的大气、海洋和陆地，从而使地面的天气不断变化。但在磁层中，气候变化是地球磁场与太阳风之间相互作用的结果。太阳风也有它自己的磁场，此磁场与向外流入行星际空间的等离子体一起运动。当太阳风携带着这一行星际磁场 (IMF) 离开太阳时，磁场线通常伸展开来，使得它们的方向不是沿径向指向太阳就是沿径向从太阳发出。但是，在某些条件下，IMF 的磁场线可能偏离太阳的赤道面，从而具有一个指向北面或南面的分量。如果IMF向南的分量强度较大且持续时间长，它将成为触发地磁风暴的一个关键因素，在巳士底日风暴期间，IMF的方向在许多个小时的时间里偏向南方。

质子是太阳风的主要成分，大约占了太阳风总质量的80%，氦核占太阳风总质量的18%，此外还有其它一些痕量重离子。在地球轨道处的太阳风平均密度为每立方厘米9个质子。太阳风的平均速度为每秒 470公里，而IMF的平均强度为6毫微特斯拉(大约为地球表面的地磁场强度的五千分之一)。这些性质(以及IMF的方向) 都是高度易变的，这种易变性正是导致空间气象变幻莫测的终极原因。

太阳系内的所百天体都浸在太阳风中，太阳风离开太阳后就不停地向外流动，直到遇上星际空间的离子化气体和中性气体。然而，太阳风并不会直接撞在地球和地球的大气层上。地球的磁场在太阳发射出的带电粒子流内形成了某种类似气泡的屏蔽层，对地球起到了保护 作用。这一气泡似的主腔{即磁层)的形状由太阳风的压力以及IMF所决定(见上图)。在地球的白天一侧(即面向太阳的一恻)，太阳风压缩地球的磁场；而在地球的夜晚一侧，太阳风拉伸地球的磁场，使其形成一条长长的尾巳，象彗星的尾巴一样拖在地球的后面。这条磁尾在地球后面绵延达100万公里以上，远远越出了月球的轨道之外。

在太阳风和磁层之间是一个薄薄的边界层，称为磁顶，在磁顶处地磁场的压力与太阳风的压力相平衡。在地球的白昼一侧，这一边界层通常位于距地球中心约6.4万公里的地方，不过这一距离随太阳风压力的变化而变。当太阳风的压力增大时(例如在巴士底日风暴期间就出现了这种情况)。白昼一侧的磁顶层被太阳风推到离地球较近的地方，有时可推进 2.6万公里之多。

正如超音速喷气式飞机在大气层中飞行时会产生激波一样，太阳风与磁层相遇时也会形成激波(称为弓形激波)，此激波位于白昼一侧磁顶上游(即磁顶靠近太阳一侧)约1.3万公里处。弓形激波与磁顶之间的太阳风等离子体区域称为磁鞘。由于磁鞘等离子体穿过激波，因此与其上游的等离子体相比，它的速度较慢、温度较高、而且具高更强的湍流特性。

卫星上的探测器显示，地球周围的带电粒子是两类等离子体的混合物，其中一类来自磁鞘(主要是质子)，另一类则是从地球北极与南极上空的上层大气流出的等离子体(主要是质子与氧离子)。两类等离子体的比例随磁层是处于平静状态还是处于扰动状态而变。在磁风暴期间，带电粒子轰击地球的高纬度地区，它所形成的电流加热上层大气，把更多的质子和氧离子输运到磁层中。这些等离子体同进入磁层的太阳风等离子体一起，存储在一个称为“等离子体片”的巨大区域中，该区域在地球的黑夜一侧延伸数万公里。

空间气象站的核心问题之一是：太阳风的变化如何影响地球周围空间的状态？换句话说，太阳风如何能够冲破地磁场的阻拦并进而推动磁层内等离子体的运动？

太阳风如何吹进磁层

对于这个问题，洛克希德公司导弹与空间分公司的Frank Johnson在1960年提出了一个答案。Johnson认为，磁层实质上是封闭的。根据他的假说，太阳风只能够通过沿磁顶的波的运动这一方式把能量和动量传递给地球周围的等离子体。而波的运动则由太阳风等离子体与磁层等离子体之间的粘性相互作用产生的。这一过程与风在水面上吹过时产生的水波是相似的。事实上，可以观测到沿磁顶传播的波，但这些波似乎并不能驱动磁层的大尺度环流，也不能造成磁层内经常发生的大规模的扰动。这些波也无法使被加速的太阳风等离子体有效地进入磁层。

由于上述原因，科学家们认为磁顶并不是太阳风影响磁层的主要手段。1961年，英国物理学家James E. Dungey 首次提出了太阳风影响磁层的另外一种机制，即所谓的”磁再连“理论（magnetic reconnection），科学家们普遍认为这一理论比磁顶波假设要好。在磁再连过程中，IMF的磁场线与地磁场的磁场线在磁顶白昼一侧短暂地互相连接起来（参看67页图）。磁场线的这种缠结使大量的等离子体和磁场能量得以从太阳风转移到磁层中。

当IMF具有一个指向南面的分量时【此方向与地球磁场在磁层的白昼一侧的方向（指向北面）正好相反】，磁再连的效果得到最充分的发挥。在这样的条件下，磁再连沿着赤道上一个很宽广的带状区域发生，使得磁层的外侧边界几乎完全向太阳风开放。当IMF指向其它方向时，磁再连仍然会发生，但此时他可能仅局限于纬度较高的地区，在这些地区他释放出的能量主要是围绕着磁层流动而不是进入磁层流动而不是进入磁层内。

磁场能从太阳风向磁层的传递从根本上改变了磁层的形状。当磁再连作用在白昼一侧的磁顶开始启动时，互相连接起来的IMF磁场线和地磁磁场线在太阳风的推动下向后扫过地球两极上空，把能量注入到地球黑夜一侧长长的磁尾在北面和南面的两个瓣状分支中。当这两个瓣状分支由于获得了额外的磁场能量而膨胀起来时，位于它们之间的等离子体片就开始变薄。这一过程一直持续到北面和南面瓣状分支中的磁场线（它们的方向相反）被挤压到一起，而且这些磁场本身也重新连接起来。

这第二次磁再连过程释放出来的太阳风的磁场，使太阳风磁场得以继续穿越太阳系流动。与此同时，第二次磁再连作用使地球的磁场线在磁尾瓣状分支加入能量期间向尾部拉伸之后，得以返回其正常的形态。磁场线的这种急剧运动加热等离子体片中的离子和电子并使其加速，将它们注入到磁层的内部区域。这些粒子中有一部分沿着地磁场的磁场线运动，进入地球两极上空的上层大气，与上层大气中的氧原子和氮分子碰撞，引起各种波长上的极光发射(包括X射线、紫外光、可见光以及射电波段等)。所有这一系列事件(从白昼一侧的磁再连到黑夜一侧的磁再连到极光)合起来被称为磁层亚暴。

除了把磁能传递给磁尾的瓣状分支以外，白昼一侧的磁再连还使整个磁尾上的电场得到增强。电场得到增强以后又使等离子体片流向内磁层的离子和电子增多。这股离子和电子流加入到地球的环电流中(环电流是由赤道上空距离地面6400公里到3.8万公里之间的高度上绕地球环行的带电粒子所形成的电流)。在比较长的白昼一侧磁再连作用进行期间(当IMF的方向持续地指向南方时就会出现这种情况)，向着地球运动的等离子体流的持续增强将使环电流中的带电粒子的数目及能量大大增加。IMF的方向持续指向南方也可能引发一系列接二连三迅速发生的地磁亚暴，每次亚暴都向着地球注入更多的粒子。上述种种过程使环电流得到增强，而这一增强正是大规模的地磁风暴的典型标志。

太阳来了

IMF的方向非常频繁地转向南方，因此磁层出现亚暴是家常便饭：平均说来磁层亚暴每天都要发生几次，每一次持续1到3个小时。但是大规模的地磁风暴(例如巴士底日事件)则要罕见得多。虽然，大规模的地磁风暴在11年的太阳活动周期中的任何时候都可能发生，但总的说来这类风暴集中发生在太阳活动极大期内。

在20世纪90年代初期以前，科学家们一直普遍认为是太阳耀斑引发了地磁风暴。但是空间物理学家和太阳物理学家一直在收集各种各样的证据，有力地证明了导致地磁风暴发生的罪魁祸首另有其人。1993年，洛斯阿拉莫斯国家实验室的John T．Gosling把这方方面面的证据汇集起来，整理成一篇发表于“地球物理学研究杂志”(Journal of Geophysical Research)的论文，向“太阳耀斑神话”发出了挑战。Gosling提出了令人信服的论证，证明日冕质量喷发对于引起大规模地磁风暴起了关键作用。科学家们仍然不清楚是什么原因导致太阳日冕产生这些剧烈的喷发活动，但是这一现象极有可能与太阳日冕磁场线的重新排布有关。CME常常与太阳耀斑有关，但并不总是由太阳耀斑引起的。

并非所有CME都会引发地磁风暴。大多数这类喷发的方向并不指向地球，因此不会对地磁产生影响。而在其喷发方向指向地球的CME中，只有大约六分之一能够产生地磁效应(geo-effective)，也就是强得足以引发地磁风暴。主要的因素是CME相对于太阳风的速度。只有速度较快的CME能够产生地磁效应。原因何在呢?当快速的CME穿过速度较缓慢的太阳风时，它们将产生行星际激波，而行星际激波则引起高能粒子簇射和地球磁场的严重变形。更为重要的是，快速运动的CME将压缩位于它前面的太阳风，从而使压缩区域以及CME本身前面一部分区域中的磁场强度增大。此外，磁场像这样覆盖在CME的周围往往使IMF更加沿着南北方向倾斜，而当IMF与地球磁场相遇时这种倾斜就造成更强烈的磁再连作用。

当太阳活动处于其11年周期的下降阶段并接近太阳极小期时，会出现一类比较弱的地磁风暴。这些地磁扰动往往与太阳的27天自转周期同步地重复发生。它们是由日冕洞发射出的快速太阳风以及太阳赤道冕流带发射出的低速太阳风之间的相互作用所触发的。虽然CME不是引起这类周期性磁暴的主要原因，但它们可能使这些磁暴的强度增大。

在IMAGE卫星于2000年发射以后，研究人员终于获得了一分钟一分钟地全面观察大规模地磁风暴进展情况的手段。IMAGE卫星在一条椭圆两极轨道上运行，其高度在1000公里到4.6万公里这一范围内变化。这一轨道使IMAGE卫星能够观察到大部分磁层，包括白昼一侧的磁顶、磁尾的内部区域以及两极的会切区，后者是来自太阳风的粒子进入磁层的主要通道。 

完整的空间风暴 

IMAGE卫星上的仪器用于观测磁层的等离子体，这些仪器通过不同的方式来完成观测工作。卫星上装有3台高能中性原子(ENA)成像仪，用于间接地测量离子流。当一个高速运动的离子(例如氧离子)与磁层中的一个中性氢原子碰撞时，它有时会夺去氢原子那仅有的一个电子，而自己则变成一个高能中性原子。由于这个原子不再携带电荷，因此它不一定要沿着地磁场的磁场线运动。实际上这个中性原子将从它诞生的地方出发沿着一条直线路径运动。ENA成像仪专门记录来自某一区域的中性原子的数目及能量，而研究人员则可以根据这些数据推断出该区域内离子的质量、速度、方向及密度等。

IMAGE卫星还携带了几台负责监测紫外波段上的辐射的仪器。极端紫外辐射(EUV)成像仪专门测量等离子体层中单电离的氦原子的密度(等离子体层是内磁层的一个充满了低能等离子体的炸面饼圈状区域)。这台成像仪通过探测氦原子吸收而后又重新发射出的太阳紫外光来测量这些原子。远紫外(FUV)成像系统通过两台仪器来观测极光，其中一台是宽带成像摄像机，另一台是分光成像仪。该系统还有若干台地冕光度计，用于探测中性氢原子发出的辐射。最后，IMAGE卫星上的无线电等离子体成像仪向带电粒子云发射射频脉冲井接收从粒子云反射回来的脉冲信号。它的工作原理和州警察使用的雷达枪颇为类似：返回的无线电信号包含有等离子体云的方向、速度和密度等信息。 

在巴士底日风暴期间，当CME驱动的激波于7月15日与地球的磁场相遇以后，不到两分钟IMAGE卫星便开始记录这次风暴的各种效应。宽带成像摄像机向地球发送回多幅极为漂亮的北极光照片[见68—69页图]，这些北极光是因激波压缩磁场而产生的。用这些图像制作出的一部电影显示北极地区上空的一个环状区域(即极光椭圆区)突然地显著变亮，并发出明亮的辐射像灌木林火一般直奔北极飞驰而去。磁暴开始后不到一个小时，北极光便逐渐平静下来，但到世界时17时左右，当第二轮激波与地球磁场相遇时，北极光又再度活跃起来。当存储在磁尾中的能量爆发般地释放到上层大气中后，威力强大的地磁亚暴便接踵而至。7月15日余下的一段时间里亚暴及其造成的极光始终持续不断，直到7月16日的清晨。

在巴士底日风暴的主要阶段期间(主要阶段始于风暴开始之后四小时)地球表面的磁场强度急剧下降，降到比其正常值低300毫微特斯拉的水平上。这一现象是界定地磁风暴的一个特征，它的起因是由于环电流的迅速增强。环电流是围绕地球运动的一股离子和电子流；当这股电流的强度在7月16日达到最大值、随后又开始下降期间，IMAGE卫星上的高能中性原子成像仪摄下了环电流的一些栩栩如生的照片【参看69页图】。一旦太阳风传送出的能量开始减弱，等离子体向内磁层的流动便放慢，而环电流丧失离子的速率就超过了新的离子注入环电流的速率。随着环电流的逐渐减弱，地球表面的磁场强度重新增大。地表的磁场强度恢复到地磁风暴发生以前的水平通常需要一天到几天的时间；但在发生强大的地磁风暴的情况下可能需要一个月以上的时间才能恢复正常。

地磁风暴也改变了等离子层的形状。磁暴期间从磁尾向着地球流动的等离子体流得到增强。这一等离子体流将等离子体层的带电粒子扫向白昼一侧的磁顶，从而削弱等离子体层。当地磁风暴平息后，来自上层大气的外流离子又重新注入等离子体层。根据模拟研究的结果，科学家们早就提出了这样一个假说，即来自等离子体层的较弱的流动将形成一条长长的尾部向着白昼一侧的磁顶延伸，并从磁顶进入太阳风中而逐渐消散。现在IMAGE卫星上的EUV探测仪所拍摄的等离子体层整体图像证实了这个已有30年之久的假说（参看下页图）。与此同时，这些图像所揭示的等离子体层的结构也提出类有关等离子体层对磁层扰动的动态响应的若干新问题。

展望前景

尽管IMAGE卫星打开了观测磁层的一扇新窗口，但我们对空间气象的认识仍然很不完整。与地面上的云层不同，IMAGE卫星所观测的等离子体云是完全透明的：所有的东西都一览无遗，但却缺乏深度感觉。因此，对等离子体（以及支配等离子体的动力的磁场和电流），进行局部测量的卫星始终是不可缺少的。 

空间气象观测的下一步将是发射成组的卫星，这些卫星就像搜寻飓风的飞机一样，哪里有情况就奔向哪里。欧洲空间局正在实施第一个这样的项目，称为“Ⅱ号卫星组”，它已于2000年夏发射升空。(此前的一个项目“I号卫星组”在1996年发射时因火箭刚起飞就爆炸而遭到失败)。II号卫星组由4个完全相同的空间探测器组成，它们构成密集队形，专门探测磁层以及邻近的太阳风中的紊流等离子体现象。美国航空航天局也在计划一个卫星组项目，定于2006年发射。这个名为“磁层多尺度观测”的项目将考察磁再连、带电粒子加速以及白昼一侧磁顶和磁尾中发生亚暴的一些特殊部位上的紊流等现象。

这些空间研究机构正在考虑若干规模更宏大的项目，即发射由几十个微型卫星构成的卫星群。成群的卫星可以监视大片大片的空间区域，正如全球气象观测网现正在监视着地球上的气候状况一样。首批卫星群极有可能观测内磁层以及白昼一侧的磁顶。卫星群中每一个如蛋糕大小的微型卫星负责记录等离子体和磁场的基本特性。

地球的磁层既有保护作用，但也具有一定的危险性。磁层的强磁场保护人类免遭贯穿辐射的危害。如果没高磁层起着屏障作用的话，这类辐射对人类将是致命的。但是地磁场的强度还不足以挡住来自太阳的最强大的冲击波。如同地面上的龙卷风带或热带气旋区一样，空间中的磁层也是风暴骤起的地方。因此，像IMAGE卫星这样一类风暴观测装置对我们具有很重要的意义。

[武晓岚/译  向俊/校]