太空天气入门

**章 什么是太空天气？ “太空天气”（又译为“空间天气”）是指发生在太阳、太阳风、磁层、电离层和热层中的一些现象，它们会影响太空和地面技术系统的性能和可靠性，并可能危及人类的生命或健康。太空环境中的不利条件可能导致卫星运行、通信、导航和配电网等系统的中断，造成各种社会经济损失。 ——美国《国家空间天气战略计划》，1995年。联邦气象服务和研究支持协调办公室，FCM-P30-1995，华盛顿特区。 1.1 关键概念 ●太空天气（空间天气，space weather） ●气候（climate） ●气象学（meteorology） ●地球大气层（Earth’s atmosphere） 1.2 导言 自20世纪50年代末以来，我们迈入了航天文明时代。借助机器人和载人航天器，我们已开始对太阳系进行探测。人们现已了解到，我们被包围在一个充满活力、强烈活动的太阳的大气层中，太阳不仅为地球上的生命提供能量，也会对其卫星和通信系统造成严重破坏。太空天气是空间科学的新兴领域，研究太阳如何影响地球的空间环境以及这种相互作用的技术和社会影响——对地球轨道卫星的损害或毁坏、对宇航员（在执行月球、火星和地球长期飞行任务期间）的安全威胁以及对全球通信和导航系统的可靠性和准确性的影响。 现代社会依赖于对天气的准确预报（温度、湿度、降雨等的日常变化）和对气候的理解（长期天气趋势），以促进商业、农业、交通、能源政策的发展及缓解自然灾害。认知天气的科学——气象学是人类为了理解自然环境而做的昀长久的巨大努力之一。与气象学一样，太空天气学的目的也是了解和预测气候和天气，但是聚焦于外层空间。其实几千年来太空风暴一直肆虐在我们的头顶上，只是我们不曾感知。但随着太空时代的到来，人们开始注意到恶劣太空天气的破坏力。 和普通天气一样，太空天气也起源于太阳。这两种天气的主要区别在于发生的区域以及影响它们的太阳能量类型不同。普通天气关注的区域从地球表面延伸到昀高云层的顶部，即大约距地球表面10km处。而太空天气关注的区域从地球一直延伸到太阳周围的太空环境（译者注：随着深空探测的发展，其他行星例如土星、木星、天王星等附近的太空天气也日益受到关注）。太空开始于地球大气层的一个区域，我们称之为热层，其起点高度距地球表面约为100km。航天飞机和太空站在距地球表面大约350km的高度飞行，彩图1显示了航天飞机拍摄的地球大气层图片。在距地球表面大约100km处，地球大气的蓝色与太空的黑色形成了鲜明的对比。 普通天气和太空天气的第二个区别是影响这两个区域的太阳能量类型不同。太阳不断向太空发射两种主要的能量：电磁辐射和微粒辐射。可见光、无线电波、微波、红外线、紫外线、 X射线和伽马射线是电磁辐射的形式，太阳的这些电磁辐射以约1400W/m2①的能量浇灌着地球大气层顶部，并不均匀地加热着低层大气、地表和海洋。风就是由这些大气温度的差异驱动的。 太阳还不断地发射微粒（微小的颗粒，minute particle）辐射，带电原子和亚原子粒子（主要是质子和电子）形成所谓的太阳风。像地球上的风一样，太阳风也是由温度差异驱动的，但这些差异体现在太阳高层大气和行星际空间之间。太阳风携带着太阳磁场扩展到整个太阳系，形成了一个被称为日球层（Heliosphere，“helios”是希腊语中太阳的意思）的星际空间区域。 太阳风既不稳定也不均匀，在不断地变化着。这些变化以多种方式影响地球的空间环境，包括产生新的微粒辐射轰击地球高层大气，造成极光（北极光和南极光）和强电流，并干扰通信、电网和卫星导航。 太阳表面偶尔会产生喷发现象并使得很大一部分太阳大气以很高的速度流出。这种现象被称为日冕物质抛射（coronal mass ejections，CMEs），每次抛射1×1012kg的物质（相当于25万艘航空母舰），能够以超过1000km/s的速度离开太阳（彩图2）。如果 CMEs是向地球运动的，一场巨大的太空风暴会在我们头顶上发生，使卫星瘫痪，导致飞机机组人员和乘客经受的辐射照射量增加，使某些波长的无线电通信受阻，并破坏地球上的电力系统。 这些太空风暴，就如2005年的卡特里娜飓风等气象风暴一样，曾对技术系统造成过严重破坏。1989年3月，一个大型的 CME撞击地球，导致加拿大东部大面积停电。新兴的太空天气学试图了解太空风暴的成因及其对地球上科技基础设施的影响，我们希望能够预测太空天气并降低损害。 科学中一些专有技术名词的起源 古希腊人认为天空是围绕地球的同心球体，行星（希腊语中的流浪者）、太阳和月亮在它们各自的天球上移动，而星星则在它们后面的天球上以固定步伐移动。科学借用了这一世界观，命名行星和太阳的同心区域时使用希腊语的前縀加上希腊语后縀“球体”（sphere）（译者注：中文译为“圈”或“层”）。地球的岩石表面通常被称为岩石圈（lithosphere，“litho”的意思是石头），地球上水的总称为水圈（hydrosphere，“hydro”的意思是水），存在生命的区域为生物圈（biosphere，“bio”的意思是生命）。包围地球的一层气体被称为大气层[atmosphere，“atmos”的意思是蒸气（vapor）或气态]。大气被进一步分为多个子区域，如表1.1中所示。层之间的边界称为“顶（pause）”（译者注：英文原意为“暂停”，例如，对流层和平流层之间的边界是对流层顶，tropopause）。后几章将再介绍几个其他“层”和“顶”。图1.1显示大气层各个子层随高度的分布情况。需要注意的是，每个层具有不同的温度随高度变化的廓线。例如，对流层的温度随着高度的升高而降低，而平流层的温度随着高度的升高而升高。 表1.1 用于地球大气层不同区域的前缀 图1.1 地球大气层的垂直温度分布 虚线表示温度随高度的变化。各个区域由温度随高度变化的趋势决定（该图出自 Cislunar Aerospace公司） 1.3 太空天气简史 针对太空天气的研究始于对三种自然现象——极光（也称为北极光或南极光）、地球磁场和太阳黑子（在太阳表面观测到的黑暗区域）的系统观测。尽管对极光的系统研究直到16世纪才开始，但因为极光可以用肉眼看到，所以已经被观察了几千年。在17世纪初，灵敏的指南针和望远镜的出现使得针对地球磁场和太阳黑子本质的探索成为可能。 研究太空天气可以追溯这三种现象相互关联的根源。**次试探性溯源工作是在19世纪中叶开展的。一百多年来，我们逐渐扩展了对太阳和地球空间环境的了解，并由此开始发展连接太阳和地球的物理模型。本节简要介绍了这些关联的发现史，并介绍了一些引导我们理解日地关系的科学家。正如其他科学领域一样，发展太空天气领域与我们理解物理和化学以及开发新技术等的目标一致——使我们能够“看到”“看不见”的东西（由于太小或太远而无法用肉眼看到，或超出了我们的视觉、听觉或感知的能力范围的事物，例如无线电波和磁场）。附录A提供了一个网站，详细记录了我们对太空天气认知的时间表。 1.3.1 极光 我们的祖先很早就观测到了极光（aurorae）。但直到18世纪，大多数关于极光的论述都来自那些可能从未观察过极光的人对极光起源的猜测。这些猜测通常跟从了亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322年）认为极光是燃烧的火焰的想法，或勒内 笛卡儿（René Descartes，1596—1650年）认为极光是被冰晶或雪晶反射的月光或阳光的想法。对极光的系统性观测始于16世纪。有史以来昀伟大的天文学家之一第谷 布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601年）记录了1582年至1598年间在乌拉尼堡天文台（丹麦）发生的极光。他发现极光出现的次数每年都在变化，但没有记录到任何系统或规律的变化。1621年9月12日，来自法国南部的天文学家皮埃尔 加森迪（Pierre Gassendi，1592—1655年）和来自威尼斯的伽利略①观测到了相同的极光。加森迪称之为北极光（lights aurorae， aurora borealis，或拉丁语的 northern dawn），这个名字自那以后一直与极区出现的光（polar lights）联系在一起。他指出，极光必须发生在地球大气层中很高的地方，这样才能使相隔很远的观测者看到同样的现象。 在18世纪，许多观察报告开始阐释极光的起源。法国人让-雅克 德奥尔图尔 德迈兰（Jean-Jacques d’Ortour de Mairan，1678—1771年）在1726年首次粗略测量了极光高度，其结果与加森迪关于极光发生在高层大气的观察报告一致。英国科学家亨利 卡文迪什（Henry Cavendish，1731—1810年）在1790年使用三角测量方法正确地估计极光高度为80—112km。然而，这些研究对极光高度的估计仍有很大的不确定性。直到1900年左右，挪威科学家卡尔 斯托默（Carl St.rmer，1874—1957年）才使用摄影技术准确地测量了极光高度。 1773年2月17日，詹姆斯 库克（James Cook）船长在南纬58°附近的印度洋上观测到极光，成为**个观测南极光（他称之为 aurora australis）的欧洲人。他在航海日志中写道：“在天空中可以看到亮光，类似于那些存在于北半球的光，它们以北极光这个名称而闻名。” 在19世纪，随着极地探险家报告的汇编，极光在以北极和南极为中心的大型椭圆内的分布变得清晰。约翰 富兰克林（John Franklin）船长确定了极光观测到的次数在靠近极点时减少的规律，暗示着存在一个极光区。他后来在试图寻找西北航道时与船员一起不幸遇难。1833年，德国地理学家乔治 威廉 蒙克（Georg Wilhelm Muncke，1772—1847年）指出，存在一个极光发生率昀大的区域，它的纬度范围是有限的。1860年，耶鲁大学的伊莱亚斯 卢米斯（Elias Loomis，1811—1888年）教授发表了**张显示了极光昀常见区域的北极地图（图1.2）。 图1.2 卢米斯教授19世纪晚期研究得到的极光椭圆形 需要注意的是，极光发生的区域围绕着极点，但不是在极点（Loomis，1869） 因此，到19世纪中叶，人们已经知道一些关于极光的事实：它们发生在南北两极地区的椭圆带中，且位于高层大气中。针对极光产生原因的探索仍在进行中。 1.3.2 地磁场 1088年，中国百科全书式作家沈括（1031—1095年）首次描述了指南针：“以磁磄针锋，则能指南。”来自圣奥尔本斯的亚历山大 内翰（Alexander Neckham，1157—1217年）在1187年出版了他的《事物的本质》一书，成为了**个描述指南针的欧洲人。内翰可能听说过通过丝绸之路从中国传到西欧的中国指南针。1576年，罗伯特 诺曼（Robert Norman）发现地球磁场存在一个垂直的分量，并