主筆：阿白特爾
審核：賴淵

APC編輯部科普組

? ? ? ? 說到天氣，我們的第一印象通常是刮風(fēng)、下雨、打雷等現(xiàn)象。的確，這些現(xiàn)象是我們生活環(huán)境的重要組成部分，也是我們最能夠直觀感受到的天氣現(xiàn)象，但所有的這些都只是發(fā)生在距離地面十幾公里以內(nèi)的一層薄薄的對流層內(nèi)。十幾公里是什么概念？一個稍微大些的城市，從一端走到另一端就要超過這個數(shù)字了。而我們知道，天空是廣袤無垠的。因此，我們平日里能夠直接感受到的天氣現(xiàn)象只是所有天氣現(xiàn)象中的一部分，對流層以上，尤其是大氣層之外，存在著另外的一種風(fēng)云變幻：空間天氣。

? ? ? ?對流層內(nèi)天氣的載體是空氣分子，尤其以水蒸氣為重要作用因子。而眾所周知，大氣層外是幾乎不存在空氣分子的，更不要說連平流層都難以進(jìn)入的水蒸氣了，因此，空間天氣的載體一定和對流層天氣不一樣。事實(shí)上，空間天氣的主要載體是空間等離子體，也就是電離的氣體。而空間天氣的主要驅(qū)動源頭，就是太陽的活動。

? ? ? ? 我們每天看到的太陽似乎都沒有什么不同，但事實(shí)上，太陽表面是千變?nèi)f化著的。小到米粒組織以分鐘為單位的浮現(xiàn)與消失，大到太陽活動以11年為單位的潮漲潮落，種種跡象都表明太陽遠(yuǎn)非平靜，而是像我們?nèi)祟愐粯佑行奶泻粑?。?dāng)然，有呼吸就有呼吸不暢的時候，這時太陽也會像我們一樣，打出一個大大的噴嚏，我們稱之為太陽爆發(fā)。太陽的爆發(fā)活動，是惡劣空間天氣的元兇之一，而準(zhǔn)確預(yù)測和評估太陽的爆發(fā)，就成為了空間天氣研究的重中之重。

? ? ? ?太陽的爆發(fā)活動主要有太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射。太陽耀斑是指太陽表面某一個區(qū)域在各個波段突然增亮的現(xiàn)象，而日冕物質(zhì)拋射是指太陽將自己日冕中的等離子體以較快的速度拋向行星際空間的過程。

? ? ? ?所有太陽爆發(fā)活動的背后驅(qū)動源都是太陽的磁場。我們知道太**有磁場，但這個磁場并非像條形磁鐵那樣對稱均勻，而是呈現(xiàn)很大的時空變化。在某些區(qū)域內(nèi)，磁場會非常集中，這時過于強(qiáng)大的磁場就會抑制對流活動，繼而減弱了太陽內(nèi)部向此區(qū)域的能量輸送，使得這個區(qū)域變冷、變暗，于是就出現(xiàn)了太陽黑子。從太陽黑子穿出太陽表面的磁力線在太陽臨近空間中形成復(fù)雜的位形，而當(dāng)不同極性的磁力線靠在一起時，就會發(fā)生磁場的斷開、重聯(lián)，并釋放出巨大的能量。這些能量變成粒子的動能，分別以極高的速度向上和向下射出。

? ? ? ? 這其中，向下射出的高速粒子沿著磁力線撞到太陽表面，突然減速剎車，通過一種叫做剎車輻射（軔致輻射）的過程向外放出大量高能光子。同時，這些粒子也會加熱太陽臨近大氣，使它的熱輻射增加。再加上可能的核反應(yīng)、核躍遷等過程，總體的效果就是太陽這一區(qū)域在各個波段的輻射爆發(fā)式增長，一個太陽耀斑也就形成了。太陽耀斑發(fā)出的高能輻射，會在8分鐘后傳播到地球，對地球電離層的電離度造成影響，繼而影響短波通訊。這是太陽風(fēng)暴對地球的第一輪攻擊。

? ? ? ? 而向上射出的粒子就被拋射到了行星際空間中。注意，這里的拋射并不是之前提到的日冕物質(zhì)拋射。因?yàn)檫@些粒子動能極大，速度極高，所以它們可以不等磁場上浮，就率先進(jìn)入星際空間，并于幾十分鐘后到達(dá)地球軌道。這些粒子轟擊人造衛(wèi)星，可能造成人造衛(wèi)星精密器件的充電、擊穿甚至燒毀。這是太陽風(fēng)暴對地球的第二輪攻擊。

? ? ? ? 最后，重聯(lián)后的磁場位形發(fā)生變化，使得上部的磁場部分地閉合起來，帶著其中的大量等離子體云浮出太陽大氣，拋向行星際空間，這便是日冕物質(zhì)拋射。注意，由于重聯(lián)后的磁場位形并不一定具有足夠的不穩(wěn)定性，因此并不是所有的太陽耀斑都會伴隨日冕物質(zhì)拋射。但是日冕物質(zhì)拋射一旦襲擊地球，對地球的威力卻是最大的。由于日冕物質(zhì)拋射不僅攜帶等離子體，還攜帶磁場，因此它會對地球本身的磁場造成很大的影響。如果接觸到地球的拋射磁場具有很大的向南的分量，就會與地球本身的磁場發(fā)生斷開、重聯(lián)的過程，從而使大量等離子體注入近地空間。這時，地球磁場會變得非常的不穩(wěn)定，而我們知道，變化的磁場會感應(yīng)出電場，所以這時在地球上的輸電導(dǎo)線將感應(yīng)出很大的感應(yīng)電流。這個電流沖擊電器，可能會使得電器失靈；沖擊發(fā)電站，可能會使得發(fā)電機(jī)停擺。另外，大量等離子體的注入，會使得大氣中等離子體含量增加，無線電通信出現(xiàn)中斷。甚至有研究表明，大氣中等離子體含量的增加可能會助長臺風(fēng)、颶風(fēng)的加強(qiáng)，比如2005年使新奧爾良癱瘓的卡特琳娜颶風(fēng)，就是在地球受到惡劣空間天氣事件影響期間迅速加強(qiáng)的。最后，等離子體的注入還會使高層大氣密度增加，從而使衛(wèi)星受到的阻力增加，這個阻力會使衛(wèi)星軌道高度降低，速度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了衛(wèi)星失去跟蹤、失聯(lián)墜毀的可能性。這是太陽風(fēng)暴對地球的第三輪攻擊。

? ? ? ? 既然太陽風(fēng)暴對地球的影響如此巨大，預(yù)測和監(jiān)測太陽風(fēng)暴的到來就變得至關(guān)重要。如果我們能夠預(yù)知一次太陽風(fēng)暴的發(fā)生，并比較準(zhǔn)確地預(yù)測它的強(qiáng)度，就能比較好地做好準(zhǔn)備，盡量減小損失。對未來的預(yù)測是建立在對現(xiàn)有事件的深入了解上的。目前，我們已經(jīng)對太陽爆發(fā)活動的發(fā)生與傳播有了比較好的認(rèn)識，了解了一些耀斑前經(jīng)常發(fā)生的征兆。比如當(dāng)一個活動區(qū)呈現(xiàn)出S或倒S型磁場位形時，就有很大的發(fā)生耀斑的幾率。當(dāng)太陽表面出現(xiàn)大規(guī)模磁通量浮現(xiàn)和暗條（日珥）爆發(fā)時，耀斑以及相伴隨的日冕物質(zhì)拋射往往緊隨其后。除了這些唯象的理論，以數(shù)值為基礎(chǔ)的工作也在不斷取得突破。比如我國科學(xué)家張枚提出的日冕物質(zhì)拋射是日冕磁螺度堆積的不可避免的結(jié)果，當(dāng)磁場浮現(xiàn)在太陽表面，日冕磁螺度的上限降低，現(xiàn)有的磁螺度超過了上限，就促成了日冕物質(zhì)拋射。近期，段愛英等研究了磁通量繩在耀斑爆發(fā)前的特征，發(fā)現(xiàn)高度扭纏和具有高衰減因子的磁通量繩可以預(yù)測90%由磁流體不穩(wěn)定性導(dǎo)致的耀斑及其之后的日冕物質(zhì)拋射。更多已經(jīng)完成和正在進(jìn)行的研究，正在把我們對太陽爆發(fā)事件的理解推向一個新的高度。

? ? ? ? 另外，太陽風(fēng)暴的強(qiáng)度不僅與單次的爆發(fā)活動有關(guān)，更取決于它傳播到地球之前所經(jīng)歷的演化過程。劉穎等人提出太陽風(fēng)暴是所謂“完美風(fēng)暴”，亦即并非本身多么猛烈，而是在許多近乎完美的條件下形成了最強(qiáng)的效果。這些條件有：在主風(fēng)暴前爆發(fā)一個小風(fēng)暴，為主風(fēng)暴掃清道路；風(fēng)暴遇到日冕冕洞的反射，磁場發(fā)生堆積；耀斑發(fā)生持續(xù)爆發(fā)，后面的爆發(fā)追趕上前面的爆發(fā)，在風(fēng)暴中形成高強(qiáng)度的激波以及磁場壓縮區(qū)域，等等。這些條件的完美配合，可以讓地球遭遇一次百年一遇的太陽風(fēng)暴。從這樣的一場風(fēng)暴中恢復(fù)，將花費(fèi)人類4-10年時間。

? ? ? ? 當(dāng)然，太陽風(fēng)暴雖然是最暴虐的空間天氣之一，卻不是空間天氣的全部?？臻g天氣還包括平靜的太陽風(fēng)，太陽風(fēng)高速流-低速流相互作用區(qū)（從太陽冕洞射出的太陽風(fēng)高速流攜帶著高速帶電粒子與較強(qiáng)的行星際磁場，也是造成地磁暴等惡劣空間天氣的主要因素之一。），日球?qū)与娏髌约皝碜蕴栂低獾挠钪嫔渚€等。如果我們足夠“幸運(yùn)”，能夠在此生見證一場超新星爆發(fā)的話，甚至能得到來自遙遠(yuǎn)恒星的空間天氣洗禮。? ??

從上述論述中我們已經(jīng)看到，我們生活的空間環(huán)境遠(yuǎn)非風(fēng)平浪靜，而是暗流涌動，有時甚至濁浪滔天。那么讓我們地球這艘小船在這樣一片洶涌的黑暗大海中穩(wěn)穩(wěn)前進(jìn)，甚至讓船上進(jìn)化出脆弱的生命來知曉這一切的力量是什么呢？是地球的磁場。如果沒有磁場，地球的大氣將很快被呼嘯的太陽風(fēng)剝離，液態(tài)水也將不復(fù)存在，生命更是無從談起。

? ? ? ? 那么，地球的磁場又是從哪里來呢？從地球液態(tài)的金屬內(nèi)核中來。如果內(nèi)核凝固，地球的磁場將很快減弱到可以忽略的水平。那地球的內(nèi)核為什么是液態(tài)？因?yàn)榉派湫栽厮プ冡尫懦龅臒崃考訜崃说厍虻膬?nèi)核。放射性元素又是從哪里來？科學(xué)家一般認(rèn)為，主要是從雙中子星相撞的過程中來。中子星又為何會相撞？因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的引力波帶走了它們的軌道能量，讓它們的軌道越來越接近。引力波為什么會產(chǎn)生？因?yàn)檫@是廣義相對論的預(yù)言。所以我們應(yīng)該能夠理解我們?yōu)楹紊钤谝粋€廣義相對論成立的世界里：如果它不成立，地球?qū)⒉粫写艌鰜肀Ｗo(hù)我們，空間天氣將隨時奪走我們賴以生存的一切，我們也就不可能現(xiàn)在依然存在著。

? ? ? ?對空間天氣的討論竟然引到了愛因斯坦的筆尖和人類興亡的關(guān)系上來，這是我動筆時所始料未及的。這正說明了科學(xué)那動人心魄的美，也告訴我們應(yīng)該去探索、去思考：雖然人類一思考，上帝就發(fā)笑；但如果人類不思考，上帝連發(fā)笑都不屑。