太阳风与空间天气

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太阳每天东升西落，为地球上的人们带来了赖以生存的光和热。而在太空之中，太阳也以另一种方式影响着我们的地球。一种被称作“太阳风”的高速等离子体流时刻从太阳上涌出，并向太阳系的深处奔去。当它到达地球附近时，会与地球的磁场发生作用。强烈的太阳风暴会引起地球磁场的剧烈变化，诱发地磁暴的产生。在人类活动尚不依赖高技术系统的时代，地磁暴除了会让更多地方的人们有机会一睹美丽的极光外，并不会造成严重的后果。而现如今，严重的太阳风暴将会对航天、供电、通讯、航空、导航等一系列领域和技术系统产生灾害性的影响。

▲空间天气概念图

太阳风是如何被发现的？

在日全食发生时，太阳耀眼的光芒会被月球暂时遮挡。这时太阳大气中的日冕结构便会呈现在太空中。在上世纪50年代初，天文学家们意识到，要支撑这些拱环和射线状的结构存在，接近太阳表面的日冕底部必须有很高的温度。当时，著名的空间物理学家西德尼·查普曼通过计算发现，日冕底部的温度可能高达数百万度。后来，对太阳大气的观测证实了这一点。

与此同时，天文学家路德维希·比尔曼注意到了彗星观测中的另一个有趣的现象。它发现，当彗星在太空中穿行时，会出现两个指向不同的尾巴。其中一个彗尾，无论彗星是朝向太阳还是远离太阳运动，这个彗尾总指向背离太阳的方向。比尔曼推测，在太空中存在一些流动的物质，吹拂着彗星，形成了这个特别的彗尾。经过计算，他推测这种流动地速度应该在500～1500公里/小时之间。但这种流动从哪来？比尔曼并不能回答这个问题。

在芝加哥大学，一位获得教职不久的年轻学者尤金·帕克注意到了这两个发现。在1958年《天体物理学期刊》上发表的论文中，帕克用简洁的物理模型描述了太阳大气动起来的原因：由于日冕底部的高温，日冕中存在着比较大的压强梯度力。在压强梯度力的作用下，太阳大气中的等离子体逃脱了太阳引力的束缚，被逐渐加速并最终达到超音速，形成了太阳风。证实太阳风吹拂了彗星的离子尾，使其总是指向远离太阳的方向。此外，他还提出了著名的“帕克螺旋线”理论，用来描述太阳磁场被太阳风携带到太空中之后的基本形态。

▲太阳风概念图

太阳风的基本性质

处于固体、气体和液体状态的物质是由分子或原子构成的，带负电荷的电子被束缚在带正电荷的离子周围，像围绕地球运行的卫星一样围绕在离子附近运动。然而，如果电子获得了非常高的能量，就可以挣脱离子的束缚，在物质中自由移动，就形成了“等离子体”。从宏观上看，等离子体并不带电，但由于电子和离子在物质中不再“绑定”在一起，因此能够表现出一些特别的电磁属性。例如，等离子体具备一种被称为“磁场冻结”的效应，可以携带着磁场一起运动。

我们可以用肉眼在天空中观察到的太阳形态（切勿用眼睛直视太阳，否则会引起严重伤害！观察太阳要使用专门地观测虑光设备），实际上是太阳的光球层。在光球层之外，太阳还有色球层、过渡区、日冕等圈层。日冕中的温度高达数百万度，已经足以使太阳上的物质变成等离子体态。在日冕高温的驱动下，日冕上的等离子体向远离太阳的方向运动并不断被加速，最终达到超音速状态，形成了太阳风。在离开太阳时，由于等离子体的磁场冻结效应，太阳风还能携带着日冕磁场进入了太空之中。太阳风可以一直奔驰到冥王星的轨道以外，距离太阳约120AU的地方。在那里，已经变得相当稀薄的太阳风和星际物质相互作用，形成了日球层顶。一些科学家将这里视为太阳系的边缘。

风是一种我们熟悉的天气现象。在一般的天气状况下，风有时大有时小，但总归只是吹拂着万物，不会产生什么其他的麻烦。但在暴雨、暴风雪、台风等天气中，狂风夹杂着骤雨或雪花，不但会给人们的生活带来不便，还很容易诱发各类灾害。在从太阳表面到地球轨道乃至更远距离的太空中，太阳风也存在着两种状态。一种是持续地从太阳上涌出的太阳风所形成的状态，研究者们将其称为“背景太阳风”，其特性类似于地球上一般天气状况下的风。另一种是在某一些时刻发生的强烈的爆发事件，一旦击中地球，将会对地球附近的空间环境产生显著的影响，研究者们通常将这些爆发现象称为“太阳风暴”。

按照我们目前对背景太阳风的认识，一般将背景太阳风按照速度分为快、慢两类。除了速度上的差异外，快慢太阳风在离子成分、源区温度等方面的性质也都存在差异。在太阳风传播的过程中，快太阳风会挤压慢太阳风，形成一个被称作“流相互作用区”的结构。在流相互作用区扫过地球时，可能会在地磁场中触发中小强度的磁暴。

▲太阳结构示意图

太阳风暴主要有太阳耀斑和日冕物质抛射两种形式。当我们在夏季遭遇雷阵雨时，往往能同时感受到天空中的电闪雷鸣和地面附近的狂风骤雨。和雷阵雨中伴生的闪电和骤雨一样，耀斑和日冕物质抛射也是太阳风暴发生时两种相互联系但性质不同的现象。耀斑是太阳日冕中突然增亮的现象，耀斑发生的过程中磁场的能量急促地转换成了X波段、极紫外波段的辐射能，并加速了高能粒子，几乎是在耀斑发生的同时，地球上就能感受到耀斑的影响。而日冕物质抛射，则是在磁场变化的驱动下，将日冕中的大量等离子体突然间抛射向太空之中，一般要在发生后1～4天才会对地球产生影响。就像地面附近的天气存在“干打雷、不下雨”及没有雷电的细雨一样，耀斑和日冕物质抛射并不一定同时出现。但对于比较强的太阳风暴，耀斑和日冕物质抛射一般是伴生的。

太阳风与空间天气

在太阳风暴的影响下，地球附近的空间环境会出现良好与恶劣之分。类比于地球上的天气现象，空间物理学家们提出了空间天气的概念，即太阳风对地球空间环境的影响。如果太阳活动相对平静，地球只受背景太阳风吹拂，那么此时的空间天气状况就比较好，相当于我们日常生活中阳光明媚、微风习习的日子。而如果太阳活动剧烈，则地球附近的空间天气状况就会恶化，相当于我们日常生活中下大雨、下大雪的坏天气。

剧烈的太阳风暴，会向太空中射出三支“弓箭”。第一支弓箭是强电磁波，以光速飞行，在太阳风暴爆发8分钟后打击地球。在强电磁波的作用下，地球电离层发生扰动，距离地面100～1000公里的高层大气的密度增加。第二支弓箭是太阳耀斑所产生的高能带电粒子，它在太阳风暴爆发几十分钟后打击地球。这些高能粒子的能量可以达到兆电子伏特级别，足以穿透航天器的保护层，干扰航天器的电子元器件正常工作。太阳风暴的第三支弓箭，给了地球 1到4天的喘息时间，随之而来是每秒奔驰数千公里的日冕物质与它携带的日冕磁场。这些物质中单个粒子的能量，虽然不如第二支弓箭弹那么强，但携带的日冕磁场像一把“钥匙”，可以通过与地球磁层顶磁场地重连，打开地球的 “护甲” ，将物质和能量源源不断地输入到地球的磁场中，触发整个地球磁场的剧烈扰动，也就是地磁暴。

▲太阳上爆发的一次日冕物质抛射

▲2011年爆发的一次X级太阳耀斑

恶劣的空间天气会对航天器的运行产生严重的不利影响。1991年2月，太阳风暴产生的高能粒子穿透了风云一号B气象卫星，使卫星上的姿态控制计算机出现故障，卫星刚刚在太空中工作半年就提前报废。2003年万圣节期间，连续爆发的强太阳风暴使日本的ADEOS-2对地观测卫星报废，还损坏了在火星附近工作的火星奥德赛号探测器的MARIE仪器。即便是那些幸免于难的卫星，也不得不关机或进入安全模式，暂停正常工作以规避恶劣空间天气带来的影响。同时，为了防止在国际空间站上工作的航天员遭受高能粒子带来的过量辐射，地面控制人员命令航天员们进入防护能力更强的舱段避险，并关闭了国际空间站上的一些设施。

空间天气的影响还能从天上延伸到地面。磁暴可以在高压输电网中产生地磁感应电流，有可能烧毁大型变压器等电网核心设备，进而引发大停电。1989年3月的一次剧烈太阳风暴使加拿大魁北克地区的电网崩溃，占加拿大总人口数约四分之一的居民失去了供电。此外，导航、通讯、民航等部门，同样也会受到恶劣空间天气的影响。

我们每天都可以收到气象台发布的天气预报，而空间天气同样也是可以预报的。目前，我国的空间天气预报主要由中科院、中国气象局的研究预报机构发布。在航天发射前，他们要对发射窗口的空间天气状况进行详细分析和预测，给出是否安全的结论。飞船在轨飞行期间，他们要不间断地监测空间天气情况，一旦有太阳风暴发生，他们在做出预报的同时还要评估太阳风暴对飞船各系统的影响，指导航天部门采取正确的应对措施。神舟九号发射前两天，太阳突然爆发日冕物质抛射（CME）。预报人员准确预报了这次太阳风暴到达地球的时间，并判断太阳风暴引发的地磁暴强度为小到中等，保障了飞船的正常运行。