大气层外的风云——空间天气漫谈

释放双眼,带上耳机,听听看~!

说到天气,我们的第一印象通常是刮风、下雨、打雷等现象。的确,这些现象是我们生活环境的重要组成部分,也是我们最能够直观感受到的天气现象,但所有的这些都只是发生在距离地面十几公里以内的一层薄薄的对流层内。十几公里是什么概念?一个稍微大些的城市,从一端走到另一端就要超过这个数字了。而我们知道,天空是广袤无垠的。因此,我们平日里能够直接感受到的天气现象只是所有天气现象中的一部分,对流层以上,尤其是大气层之外,存在着另外的一种风云变幻:空间天气。

对流层内天气的载体是空气分子,尤其以水蒸气为重要作用因子。而众所周知,大气层外是几乎不存在空气分子的,更不要说连平流层都难以进入的水蒸气了,因此,空间天气的载体一定和对流层天气不一样。事实上,空间天气的主要载体是空间等离子体,也就是电离的气体。而空间天气的主要驱动源头,就是太阳的活动。

大气层外的风云——空间天气漫谈

太阳米粒组织。图中呈现的区域之大小约和地球相当,其中的米粒组织之跨幅则约等同于一个国家,而影像能解析的最小结构小至30公里宽。(来源:NSO,NSF,AURA,Inouye太阳望远镜)

我们每天看到的太阳似乎都没有什么不同,但事实上,太阳表面是千变万化着的。小到米粒组织以分钟为单位的浮现与消失,大到太阳活动以11年为单位的潮涨潮落,种种迹象都表明太阳远非平静,而是像我们人类一样有心跳有呼吸。当然,有呼吸就有呼吸不畅的时候,这时太阳也会像我们一样,打出一个大大的喷嚏,我们称之为太阳爆发。太阳的爆发活动,是恶劣空间天气的元凶之一,而准确预测和评估太阳的爆发,就成为了空间天气研究的重中之重。

太阳的爆发活动主要有太阳耀斑和日冕物质抛射。太阳耀斑是指太阳表面某一个区域在各个波段突然增亮的现象,而日冕物质抛射是指太阳将自己日冕中的等离子体以较快的速度抛向行星际空间的过程。

大气层外的风云——空间天气漫谈

广袤的日冕。(影像提供与版权: P. Horálek, Z. Hoder, M. Druckmüller, P. Aniol, S. Habbal / Solar Wind Sherpas)

所有太阳爆发活动的背后驱动源都是太阳的磁场。我们知道太阳具有磁场,但这个磁场并非像条形磁铁那样对称均匀,而是呈现很大的时空变化。在某些区域内,磁场会非常集中,这时过于强大的磁场就会抑制对流活动,继而减弱了太阳内部向此区域的能量输送,使得这个区域变冷、变暗,于是就出现了太阳黑子。从太阳黑子穿出太阳表面的磁力线在太阳临近空间中形成复杂的位形,而当不同极性的磁力线靠在一起时,就会发生磁场的断开、重联,并释放出巨大的能量。这些能量变成粒子的动能,分别以极高的速度向上和向下射出。

这其中,向下射出的高速粒子沿着磁力线撞到太阳表面,突然减速刹车,通过一种叫做刹车辐射(轫致辐射)的过程向外放出大量高能光子。同时,这些粒子也会加热太阳临近大气,使它的热辐射增加。再加上可能的核反应、核跃迁等过程,总体的效果就是太阳这一区域在各个波段的辐射爆发式增长,一个太阳耀斑也就形成了。太阳耀斑发出的高能辐射,会在8分钟后传播到地球,对地球电离层的电离度造成影响,继而影响短波通讯。这是太阳风暴对地球的第一轮攻击。

大气层外的风云——空间天气漫谈

太阳耀斑爆发。(来源:美国宇航局太阳动力学天文台)

 

而向上射出的粒子就被抛射到了行星际空间中。注意,这里的抛射并不是之前提到的日冕物质抛射。因为这些粒子动能极大,速度极高,所以它们可以不等磁场上浮,就率先进入星际空间,并于几十分钟后到达地球轨道。这些粒子轰击人造卫星,可能造成人造卫星精密器件的充电、击穿甚至烧毁。这是太阳风暴对地球的第二轮攻击。

最后,重联后的磁场位形发生变化,使得上部的磁场部分地闭合起来,带着其中的大量等离子体云浮出太阳大气,抛向行星际空间,这便是日冕物质抛射。注意,由于重联后的磁场位形并不一定具有足够的不稳定性,因此并不是所有的太阳耀斑都会伴随日冕物质抛射。但是日冕物质抛射一旦袭击地球,对地球的威力却是最大的。由于日冕物质抛射不仅携带等离子体,还携带磁场,因此它会对地球本身的磁场造成很大的影响。如果接触到地球的抛射磁场具有很大的向南的分量,就会与地球本身的磁场发生断开、重联的过程,从而使大量等离子体注入近地空间。这时,地球磁场会变得非常的不稳定,而我们知道,变化的磁场会感应出电场,所以这时在地球上的输电导线将感应出很大的感应电流。这个电流冲击电器,可能会使得电器失灵;冲击发电站,可能会使得发电机停摆。另外,大量等离子体的注入,会使得大气中等离子体含量增加,无线电通信出现中断。甚至有研究表明,大气中等离子体含量的增加可能会助长台风、飓风的加强,比如2005年使新奥尔良瘫痪的卡特琳娜飓风,就是在地球受到恶劣空间天气事件影响期间迅速加强的。最后,等离子体的注入还会使高层大气密度增加,从而使卫星受到的阻力增加,这个阻力会使卫星轨道高度降低,速度发生变化,从而导致了卫星失去跟踪、失联坠毁的可能性。这是太阳风暴对地球的第三轮攻击。

既然太阳风暴对地球的影响如此巨大,预测和监测太阳风暴的到来就变得至关重要。如果我们能够预知一次太阳风暴的发生,并比较准确地预测它的强度,就能比较好地做好准备,尽量减小损失。对未来的预测是建立在对现有事件的深入了解上的。目前,我们已经对太阳爆发活动的发生与传播有了比较好的认识,了解了一些耀斑前经常发生的征兆。比如当一个活动区呈现出S或倒S型磁场位形时,就有很大的发生耀斑的几率。当太阳表面出现大规模磁通量浮现和暗条(日珥)爆发时,耀斑以及相伴随的日冕物质抛射往往紧随其后。除了这些唯象的理论,以数值为基础的工作也在不断取得突破。比如我国科学家张枚提出的日冕物质抛射是日冕磁螺度堆积的不可避免的结果,当磁场浮现在太阳表面,日冕磁螺度的上限降低,现有的磁螺度超过了上限,就促成了日冕物质抛射。近期,段爱英等研究了磁通量绳在耀斑爆发前的特征,发现高度扭缠和具有高衰减因子的磁通量绳可以预测90%由磁流体不稳定性导致的耀斑及其之后的日冕物质抛射。更多已经完成和正在进行的研究,正在把我们对太阳爆发事件的理解推向一个新的高度。

大气层外的风云——空间天气漫谈

正在喷射中的太阳耀斑。(来源:NASA/ESA/SOHO)

 

另外,太阳风暴的强度不仅与单次的爆发活动有关,更取决于它传播到地球之前所经历的演化过程。刘颖等人提出太阳风暴是所谓“完美风暴”,亦即并非本身多么猛烈,而是在许多近乎完美的条件下形成了最强的效果。这些条件有:在主风暴前爆发一个小风暴,为主风暴扫清道路;风暴遇到日冕冕洞的反射,磁场发生堆积;耀斑发生持续爆发,后面的爆发追赶上前面的爆发,在风暴中形成高强度的激波以及磁场压缩区域,等等。这些条件的完美配合,可以让地球遭遇一次百年一遇的太阳风暴。从这样的一场风暴中恢复,将花费人类4-10年时间。

当然,太阳风暴虽然是最暴虐的空间天气之一,却不是空间天气的全部。空间天气还包括平静的太阳风,太阳风高速流-低速流相互作用区(从太阳冕洞射出的太阳风高速流携带着高速带电粒子与较强的行星际磁场,也是造成地磁暴等恶劣空间天气的主要因素之一。),日球层电流片,以及来自太阳系外的宇宙射线等。如果我们足够“幸运”,能够在此生见证一场超新星爆发的话,甚至能得到来自遥远恒星的空间天气洗礼。

从上述论述中我们已经看到,我们生活的空间环境远非风平浪静,而是暗流涌动,有时甚至浊浪滔天。那么让我们地球这艘小船在这样一片汹涌的黑暗大海中稳稳前进,甚至让船上进化出脆弱的生命来知晓这一切的力量是什么呢?是地球的磁场。如果没有磁场,地球的大气将很快被呼啸的太阳风剥离,液态水也将不复存在,生命更是无从谈起。

那么,地球的磁场又是从哪里来呢?从地球液态的金属内核中来。如果内核凝固,地球的磁场将很快减弱到可以忽略的水平。那地球的内核为什么是液态?因为放射性元素衰变释放出的热量加热了地球的内核。放射性元素又是从哪里来?科学家一般认为,主要是从双中子星相撞的过程中来。中子星又为何会相撞?因为它们发出的引力波带走了它们的轨道能量,让它们的轨道越来越接近。引力波为什么会产生?因为这是广义相对论的预言。所以我们应该能够理解我们为何生活在一个广义相对论成立的世界里:如果它不成立,地球将不会有磁场来保护我们,空间天气将随时夺走我们赖以生存的一切,我们也就不可能现在依然存在着。

 

对空间天气的讨论竟然引到了爱因斯坦的笔尖和人类兴亡的关系上来,这是我动笔时所始料未及的。这正说明了科学那动人心魄的美,也告诉我们应该去探索、去思考:虽然人类一思考,上帝就发笑;但如果人类不思考,上帝连发笑都不屑。


主笔:阿白特尔

审核:赖渊

APC编辑部科普组

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 天马座

    科普好文,已经收藏了

    • 小A君科普

      感谢支持,后续还会送出更多好文的!

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