高登义科学探险手记:情系南极(彩图版)

　　《情系南极/高登义科学探险手记》：　　高空大气物理学的研究对象，是从地球表面以上的30千米高空一直到行星际空间所发生的地球物理现象和物理过程。高空大气物理学是天体物理学与地球物理学之间的一门边缘学科。它的研究内容很广，主要包括高空大气结构、电离层和日一地空间物理三大部分。　　在南极地区，具有哪些特殊的条件有利于研究高空大气物理学呢？　　我们知道，地球像一块大磁铁，它有自己的磁场。地球的磁场向宇宙伸展，形成一个称为磁性层的区域。磁性层向着太阳的一面，地磁场的磁力线闭合，宛如一个球形大盾，把地球保护起来：磁性层背着太阳的一面，被太阳风把磁力线拉开，呈尾状伸展。粗看起来，地磁场与偶极子颇为相似，宛如一块条形磁铁位于地球中心附近，在地球磁场的南北极有南北两极歧点。　　向着太阳一面的磁性层保护着地球，使其免受太阳风的正面袭击，同时还改变太阳风的方向，使之绕过地球。然而，在地磁场的南北两极歧点附近，太阳风可以侵入。当太阳风侵入南北两极磁场歧点附近时，它能使带电的太阳粒子辐射流近于垂直地向电离层以至中低层大气输送，使各层区产生能量、动量和质量耦合区域，形成许多重要物理现象，如极光、哨声、粒子沉降和地磁脉动等。这是在非极地区不能看到或极少见到的。　　因此，进行哨声的观测研究，对于测定地磁纬度，改进无线电远距离通信，确定地磁场磁力线顶点的强度等都具有重要意义。南极地区为哨声观测研究提供了极好的场所。　　极光是发生在极地上空奇特而美丽的自然现象。在南极地区的极光称作南极光。　　从科学意义上讲，极光是从太阳表面发射出来的带电粒子流，从外层空间疾驰而来，猛烈地冲击着地球南北两极地区高空稀薄的大气层，将大气分子激发到高能级，发出了耀眼的可见光。打个比方，如果把地球空间看作一个电视显像管，地球磁性层尾部的中央比作电子枪，极地高层大气视作荧光屏，那么，极光就是这个荧光屏上的图像。　　极光出现的强弱取决于太阳强度以及太阳风离开太阳所携带的磁场的强度和方向。极光具有巨大的能量，可达到几千电子伏特。历史上有记载的极光资料中，*惊人的一次极光出现在1859年，其感生电流强大到美国的电报员不用电池便将电报从波士顿发到了波兰。有时，一次极光的能量能超过北美洲总的发电能力。　　极光，顾名思义，应该出现在极区，南极和北极地区是观测和研究极光的好地方。但两相比较，由于南极地区主要是大陆，而北极地区主要是海洋，因而，在南极地区观测和研究极光更为有利。南极的日本昭和基地和中国中山站就是调查极光活动的有利位置。　　一般说来，极光易在67°的地磁纬度和110千米高度附近出现。有时，当太阳风阵风风速超过正常风速（每秒数百干米）时，电离层中的电流增强，影响地磁活动。在这种情况下，地磁磁性层被压缩，极光区也被推向地磁纬度较低的地方：当极光在地磁纬度61°附近出现时，南极哈利站和赛普尔站也能观测到。　　研究极光活动的目的，主要在于通过它来研究等离子体层中某些物理现象及其对通信和卫星轨道的影响。这是因为，当带电粒子落入极光区时，极光区的带电粒子可进一步产生一个电子浓度大大增强的薄层，使地面发射机发出的高频无线电波发生异常。此外，极光区的粒子还加热大气的*高层，引起局地大风。极光还能使热层（110千米～300千米）大气明显变暖；电子浓度增大，影响飞行高度低的极轨卫星轨道。　　在南极地区，除了研究哨声和极光具有极为有利的条件外，观测和研究地磁场的变化也是非常有利的。　　例如，在南半球，地磁极和南极点之间的距离是北半球地磁极与北极点之间距离的两倍。在南极地区，同一地理纬度但经度不同时，其地磁纬度不同。许多南极地区考察站位于沿岸差不多相同的地理纬度上，这就为研究一系列地磁纬度上的高层大气物理提供了独一无二的机会。特别是在西经0°～90°，更是研究与等离子体层顶相联系的电离层现象的天然实验室。因为，只有在南极这一区域才能在这么高的地理纬度上研究与等离子体层顶有关的电离层现象。在北极地区是不具备上述条件的。　　……