互动科普

空间环境与人类息息相关

科学世界：地球的空间环境包括什么？

吴季：地球空间环境包括中高层大气、电离层、磁层、行星际空间。大气层离地面越高，物质就越稀薄。但是，绝对真空是不存在的。到很高的高度时，很稀薄的大气被太阳发出的紫外线照射，就会发生电离，即变成了电子（带负电）和离子（带正电）。由于地球本身就是一个偶极场的大磁体，周围分布着磁场，所以地球磁场就会推动这些带电粒子运动。

科学世界：太阳活动是如何影响地球的？

吴季：日地空间是一个耦合的复杂系统。太阳活动与太阳爆发引起的太阳风扰动，通过与地球磁层相互作用，形成地磁暴（地球磁场发生剧烈波动）、亚暴等磁层扰动，并通过一系列耦合系统，进一步影响到地球电离层和热层，引起电离层暴、热层暴，产生包括极光在内的中高层大气剧烈扰动现象。

太阳除了向地球发出各种电磁波，还输出物质。太阳活动中的“CME事件”（日冕物质抛射事件），是太阳系里最为猛烈的物质抛射和能量转换过程，也是最为剧烈的爆发过程。通常情况下,“太阳风”是一种很稀薄的比较稳定的等离子体。但是在发生日冕物质抛射事件时，太阳风就会携带一大团高密度的带电粒子，而且携带着特定方向的磁场。当这些物质到达地球附近的时候，它们就会对地球周围的空间环境状况造成强烈扰动。

科学世界：日冕抛射的物质是怎样影响到地球磁场的呢？

吴季：太阳抛出的等离子体携带的磁场比地球磁场弱，等离子体本身是带电的粒子。当它们运动到地球的偶极磁场以后，运动的带电粒子就会在磁力的作用下，向地球两极运动。地球磁场有个“刚度”，在一般情况下可以维持自有的形状。当地球磁场正常的时候，带电粒子会在距离地球6万千米远的地方（磁层顶）聚集，在地球磁场的作用下发生偏转后，粒子就向两极地区沉降。没有沉降的粒子继续向地球背面运动，拖出一条很长的磁尾。

太阳风来自太阳表面的某一个区域，所以喷出来的太阳风是带有一定方向的磁场的。即使它们在向外输送的过程中也会保留这个方向的磁场。当太阳风运动到地球磁层顶的时候，两个不同方向的磁场就会发生“冲击”。

当太阳风很强的时候，太阳风粒子速度很快，等离子体携带的磁场强度很强，甚至会把向阳一侧的磁层顶压迫到距离地球3万千米远的地方，这相当于正常距离的1/2。大家都知道，运动的带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力。粒子携带的能量和地球磁场发生作用以后，就会使地球的磁场发生扰动。地球磁场给运动的带电粒子某一个方向上的洛伦兹力，相应地，带电粒子也会给地球一个相反的作用力，最终使二者合成的磁场发生改变。

磁层保护着地球

科学世界：地球的空间环境变化会对我们造成什么后果？

吴季：主要由于太阳活动，地球周围的空间环境总是在变化。地球磁场一变化，就会带动地球周围粒子的运动发生变化。这样一来，有的在地球周围运动的粒子就会被加速，这些能量很高的粒子打在人造卫星上，就可能导致卫星失效。目前所知，有40%的人造卫星故障都是由空间环境因素引起的。

除此以外，电离层的波动也是由太阳活动引起的，一些技术设施也会受到影响。无线电要通过电离层的反射，进行远距离传播。现在的卫星与地面之间的通讯信号也要穿过电离层。如果此时电离层发生扰动，就会让遥测信号在某处电离层发生折射，导致遥测卫星或者接收信号的时候丢失数据。

在极地，地磁场的磁力线方向是从天空到地面的。如果地面上有个平铺的大环路的话（如输电线和输油管道），当磁力线发生扰动的时候，电线和管道围成的环路上就会有磁通量的变化，这样的话就会在“线圈”上产生感应电流。这种感应电流有时会非常大，会烧毁变压器和输油设备。

科学世界：太阳风带来的粒子是如何影响人造卫星的？

吴季：人造卫星是在有粒子的环境中运行的。如果粒子环境很安静的话，粒子的能量比较低，卫星的太阳帆板上会积累电荷（充电效应）。卫星在通过地球日照面和阴影面的时候，平衡被打乱，这些电荷会突然发生释放（放电）。放电时，会形成放电电流和辐射电磁脉冲，有的器件就会受到干扰。电磁脉冲被卫星上的数据线接收到以后，记录数据的“0”会变成“1”，“1”会变成“0”，这样就会发生数据错误。如果严重的话，放电的电流打在电气元件上，这些元件会受到损伤。

如果卫星在高能粒子的环境下运行，这些粒子就会直接穿透卫星元器件的表面，打到芯片上。现在最容易被打坏的就是高集成度的半导体芯片，特别是存储器，也会发生“0”和“1”互换的错误。粒子打在芯片上，实际上是粒子的能量传递给半导体的P/N结上了。如果P/N结总是锁在“1”的状态，就变不成“0”了。惟一的办法就是让卫星关机，然后再开机。有的时候，卫星就完全损坏了，开关机操作也改变不了了。这种事故是经常发生的。所以我们生产卫星的时候要用“宇航级”的元器件，即使在遭受粒子轰击的时候，也能保持一定的抗“锁定”的能力。有的器件要做“三模冗余”设计，就是把3个相同功能的器件并联，若其中1个坏了，还有另外两个可以用，在判断正误上用三选二。因为这种空间环境事件是不可避免的，只能用各种办法来克服它可能带来的影响。

科学世界：发生地磁暴的时候，地磁场的强度有什么变化？

吴季：正常地磁场强度大约是50000nT。n是10^-9，T是磁通量密度单位“特斯拉”。地磁暴分为正暴和负暴，即增加和减少一部分地磁场强度。发生地磁暴的时候，地球磁场的变化会高达10%～20%。

科学世界：在我们的日常生活中，什么现象与空间天气有关呢？

吴季：在人类进入太空以前，确实没人特别关注过这个领域。从1957年发射第一颗人造卫星以后，人类就开始关注空间环境了。通常，只有载人飞船、火箭、人造卫星等技术设施可以进入“空间”区域。

如果空间天气发生变化的话，最直观的自然现象就是极光。

科学世界：只有极地附近才能看到极光吗？

吴季：在极端的空间天气现象中，即便是低纬度地区也能看到极光。我们在《后唐书》里查到记载，在公元775年1月，在长安地区（今陕西西安市部分地区，约北纬34°）就看到了极光。

科学世界：最近有没有发生过大规模的空间天气事件呢？

吴季：1989年3月13日，加拿大魁北克地区的电网大停电事故，就是由于空间天气事件引起的，引起人们的广泛关注。但是这次事件还不算最大的。

在1859年发生的“卡林顿事件”，应该是最近150年来发生的最大规模的空间天气事件了。当时在纬度很低的墨西哥（约北纬19°）都能看到极光。在没有月亮的夜晚，人们可以在极光下看报纸。那时候，世界上已经有地磁仪了，测出北半球地磁场变化比较大，但是高纬度地区的地磁仪读数甚至都饱和了—仪器指针已经打到最大读数，所以人们无法知道当地的真实数据到底有多大。不过在低纬度地区（例如印度）有一些地磁仪保留下了当时的数据，测到地磁相对于正常值突然减小了20%。有报道称，在这次事件中，欧洲有一些有线电报网上产生了巨大的感应电流，把终端设备上的电报纸都烧着了。这些都是当时记录下来的空间天气事件对人类社会造成的一些影响。

假如我们现在的社会再经历一次那种级别的地磁暴事件，很多卫星应该都会被毁掉的，而且地面上很多基础设施，比如变压器、石油管道都会被损坏。所幸的是我们现在还没有遇到那样大的磁暴事件。向前回溯150年，就已经发生过一次这样的严重事件，如果继续倒退至1000多年前的唐朝，这中间还可能发生过好几次重大的空间天气事件。只是以前还没有电气和空间的基础设施，不会对人们的正常生活造成那么大的影响，因此也没有留下记录。

科学世界：当空间天气发生剧烈波动时，会对生活造成什么影响？

吴季：信鸽是用地磁场导航的，如果发生磁暴的话，信鸽就可能找不到回家的路。所以，信鸽协会要经常关注空间天气的信息。

海事卫星电话、GPS导航系统，都会因为电离层活动而被干扰。如果用单频的GPS设备进行定位，正常情况下精度为10～20米，被干扰之后偏差可能会有几百米。

航空公司也很关心空间天气情况。美国航空公司规定，如果发生重大空间天气事件，飞越极区的航班的飞行员可以拒绝飞行。因为太阳风粒子会在北极上空沉降，辐射量非常大，如果在这期间通过的话，相当于拍了多次X光片。

人类社会越是依赖空间基础设施，可能受到空间天气的影响就越大。在国外，已经形成了由电力系统、航空系统、通信系统、保险公司、户外活动人员、卫星用户和卫星研制单位组成的庞大的空间天气预报的用户群体。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）