互动科普

图1  太阳活动示意图

一连串的活动区一个接一个地在太阳的上半部分排列开来，

相互扭结和作用达4天半（2011年9月28日～10月2日）。

如图用极紫外光所见，剧烈的磁活动区闪耀着成卷的拱形环。

资料来源：NASA/SDO

太阳活动对地球空间环境的影响

太阳活动及其变化在各种时间尺度上驱动着空间天气。基于此，研究隐藏在太阳内部的这些变化活动的起源，以及这些活动如何进入近地空间并与空间环境发生相互作用，是非常重要的研究课题。

实际上，太阳比白天肉眼所看到的更为活跃和复杂（图1）。几个地球半径大的太阳黑子散布在太阳表面，它所携带的强大磁场比太阳平均背景场要大数千倍。每个太阳活动区在数分钟至数月的时间尺度上增长、消退和重新组织。太阳黑子集体成组出现形成了约11年的太阳活动周期和约22年的磁场活动周期。太阳风的典型速度和太阳辐射变化与太阳周期性变化一致。在太阳活动极大期，太阳能以高达一天三次的频率喷发数十亿吨的等离子体。这些CME的速度能达到背景太阳风速度的5倍以上，如果它们朝向地球的话，能在一天之内到达地球。CME通常同太阳耀斑这个最剧烈的爆发现象联系在一起。CME能引起大的地磁暴活动，这些磁暴能影响像电网之类的地面设施系统。

太阳耀斑将地球沐浴在过量的电磁辐射之中，但只有强X射线和紫外线能显著影响地球向阳侧电离层，而通讯和导航系统则受电离层状态变化的影响。耀斑在数分钟内就能释放巨大的能量，并能持续数小时之久。每个太阳活动周内大概会有一次超级耀斑，强到极强耀斑能达到数百个。太阳质子事件是另一种太阳的活动信号。相对论能量的质子在太阳表面附近产生，如果被激波携带传向地球的话，最短能在15min左右到达。从历史记录来看，每个太阳活动周内，超强的质子事件大概能发生1次左右，强到极强的质子风暴大概有15次。极强的质子风暴会影响宇航员和航天器活动；它们也会扰乱极区航线的航班操作，并对机组人员造成潜在的长期身体健康影响。基本上每一个太阳活动都会影响地球上的生命。

最近的太阳活动极小期（主要为太阳第23活动周期的结束）比20世纪任何一次都持续得更长，且活动更为平静。第24太阳活动周期开始于第23周期之后的第13年，而且可能是人类空间时代以来最弱的一个活动周期。尽管人们对太阳表面流动的测量准确性不断增加，对驱动太阳活动的发电机模型研究更加精细，但科学家依然对物理上预报大黑子的出现缺乏信心，更不用说未来10年的太阳活动水平了。部分信息缺失的原因在于太阳极区的观测很难做到。由太阳深处缓慢流动携带至极区的磁通类型调控着太阳深处发电机的种子，而后者导致了随后的太阳活动周期。

尽管驱动太阳周期性变化的是大尺度的动力学过程，但是亮度、加热、质量流的实际变化机制同样依赖于发生在小尺度上的各种相互作用的总和。与连续的小尺度活动组成的火热背景相对，全球结构则在一个巨大的尺度上储存着极大的能量。磁应力的结构可以被模拟出来，却不能被直接观测。耀斑或CME中灾难性能量释放的触发机制仍是未解之谜。只有通过太阳附近的探测器直接探测太阳风，才有可能弄清一般太阳风及更高能量粒子的加速机制。

地球磁层、电离层和大气层动力学和耦合过程，以及对太阳和地球输入的响应

地球空间环境所处的区域由中性气体、带电粒子和发生在一系列时空尺度上的等离子体波动相互作用耦合而成。通过此环境的能量和动量输运表现出不同程度的反馈和复杂性，这就要求一个将其视为紧密耦合系统的研究方法。

图2  磁重联磁场、流动和扩散区域的示意图

资料来源：MMS-SMART科学团队

地球空间环境受太阳风的影响。当被拖拽的太阳风磁场和地球磁场在二者指向相反的地方相遇时，它们会通过“磁重联”的过程而湮灭（图2）。磁重联驱动将高能粒子带向地球的磁层，粒子在那里被注入并被俘获到环绕地球的轨道上，从而形成外辐射带。尽管目前重联如何发生和驱动磁层对流的主要观点已经很好地建立起来，但是磁层中磁重联的根本物理原因仍未被充分理解，难以预测这一过程将发生在何时何地、发生得多快，以及如何促成质量、能量和动量的输运。因此，理解带电粒子的加速、散射、损失这些控制辐射带增强和损耗的过程，成为太阳和空间物理学优先考虑的问题。

磁暴期间，来自磁层内边界（电离层）的剧烈离子上涌过于强烈以至于它能够通过调节日侧和夜侧的磁重联来改变磁层动力学。电离层也是等离子体-中性气体基本相互作用的场所，这块区域必须利用高时空分辨率来理解中性大气-电离层系统的动力学。当磁层电流被扰动时，正是电离层为其提供另一条路径来加热地球大气层。

通过研究和观测来理解这个系统中的能量输运、冷却和构造。来自磁层的高达1 TW甚至更多的剧烈能量输入，主要发生在纬向跨度不到10°的区域。磁暴期间，整个极区及向下到中低纬地区的能量被重新分配。理论上仍然无法解释高纬加热几小时后全球热层是如何“膨胀”的，并且磁暴期间的冷却过程还不十分清楚。

地球高层大气和电离层是一个研究辐射过程和有磁场条件下等离子体－中性成分耦合的实验室。这里的过程非常复杂：等离子体-中性成分碰撞，相关联的中性风驱动湍流，这些湍流串级到非常小的空间尺度并且干扰通信。能量和动量主要通过波动的方式从低层大气传递到高层大气和电离层。尽管波动的存在和重要性是没有争议的，相应的中性大气和电离层之间的耦合过程却牵涉许多现在还未理解的多尺度动力学。理解能量分配、动力学行为及来自上面和下面的波动能量剧烈影响的这一区域的日变化对太阳和空间物理学提出了巨大挑战。

向大气中排放的温室气体（如二氧化碳和甲烷）正改变着全球气候，加热低层大气而冷却高层大气。低层大气中，温室气体的不透热性通过捕获地球表面的红外辐射能来获得能量，并通过与其他分子的碰撞将其转化为热能。然而，热层中分子间碰撞没那么频繁，温室气体通过碰撞获取能量然后将此能量用红外波段辐射到太空中去来促进冷却。

热层的持续冷却将改变大气层-电离层的耦合，从而改变磁层-电离层系统的全球电流，进而从根本上改变磁层-电离层耦合。借助长期以来的卫星数据和地基电离层探测装置网络，这些趋势现在才得以逐渐发现和认识。这是一个显著的行星变化，至少可以部分归结于人类社会对地球大气层的调节。

本文由安静摘编自吴季等著《2016~2030年空间科学规划研究报告》第5章部分内容。

978-7-03-047460-5

空间科学是以空间飞行器为主要平台，研究发生在日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理、天文、化学及生命等自然现象及其规律的科学。空间科学开展宇宙、生命的起源演化和基本物理规律的前沿探索，是当今自然科学重大发现与突破不断涌现的热点学科。本书是中国科学院国家空间科学中心牵头的“中国空间科学中长期发展规划”研究团队的最新成果，在介绍空间科学国际发展趋势和国内发展现状的基础上，分析了我国发展空间科学的国家需求，阐述了至2030年中国空间科学拟研究的前沿科学问题，提出了中国至2030年发展战略目标、空间科学计划及所包含的科学卫星任务，绘制了至2030年中国空间科学发展路线图，并探讨了支撑和保障空间科学发展所需的技术手段与能力。