科學網—我國空間天氣事件能量流動研究取得系列成果

2021-01-10 科學網
空間天氣科學「亮劍科學前沿 服務國家需求」系列報導（十一） 我國空間天氣事件能量流動研究取得系列成果 描繪空間能量路線圖

 所有空間天氣事件背後，都有能量的流動和驅動。

 

本報記者　張雙虎

 

日地空間環境的災害性天氣會給航天、通訊、導航、電網、太空人健康和空間安全等帶來嚴重威脅和巨大損失。而所有空間天氣事件背後都有能量的流動和驅動。因此，研究空間天氣事件的能量流動，對理解近地環境和空間天氣監測預報十分重要。

 

空間天氣事件的背後推手

 

「所有空間天氣事件背後，都有能量的流動和驅動。」中國極地研究中心研究員張北辰對《科學時報》記者說。

 

空間天氣事件的源頭是太陽，太陽劇烈活動釋放電磁能和動能，以光輻射、高能粒子和空間等離子體雲等形式先後到達地球附近，通過能量的傳輸、轉換（如磁能轉換為動能）、儲存（如動能轉換為磁能）和耗散，引起地球空間環境高動態、短時間尺度的條件變化。

 

在地球附近，來自太陽的電磁輻射和太陽風與地球磁場和地球大氣層相互作用，形成了由磁層、電離層和中高層大氣組成的相對穩定又緊密耦合的複雜系統，這個系統通常被稱為地球空間。當太陽劇烈爆發時，增強的電磁輻射、高能帶電粒子流和高速等離子體雲將對地球形成三輪攻擊，打破地球空間相對穩定寧靜的局面，即產生空間天氣事件。

 

磁暴期間進入地球空間的能量一方面改變全球熱層環流和中性大氣成分，對地球電離層電子密度和總電子含量造成顯著改變，進而影響電離層電波傳播；另一方面，增強的極區極光粒子沉降和極區對流電場，形成極區電離層不均勻體結構和產生電離層閃爍，影響跨極區飛行器的通信導航。

 

中性大氣加熱改變大氣密度和溫度分布，會影響衛星軌道和壽命，同時，環電流粒子和粒子能量增強形成的高能粒子影響空間電子設備和人類的空間活動安全。

 

「從覆蓋區域看，空間天氣事件能量流動涉及太陽大氣、行星際、地球磁層、電離層和中高層大氣所組成的空間區域。」張北辰說。

 

「細緻研究太陽的能量變化，特別是當太陽劇烈爆發時的能量變化及流動路線，有可能推斷隨後即將發生的空間天氣事件。」中國極地研究中心研究員劉瑞源對《科學時報》記者說，「能量傳輸和轉化過程與空間天氣緊密相關，空間天氣事件形式多樣（如太陽質子事件、地磁暴、電離層暴、高能電子暴、極光亞暴、電離層突然騷擾、極蓋吸收事件等），在時間順序上和地域分布上有不同的變化特性，掌握其中最為本質的能量流動路線，有助於理解各種空間天氣事件的產生與變化過程。」

 

地球的太空之窗

 

「極區是地球開向太空的窗戶。」劉瑞源說，「極區高空大氣是地球大氣層和近地空間最活躍的部分之一，與中低層大氣有較強的耦合作用，對全球變化有著靈敏的響應和顯著的反饋。研究極區高空大氣有助於整體理解太陽風—磁層—電離層—高層大氣—中低層大氣的相互作用和在全球變化中的作用。」

 

地球南北兩極上空的地磁場近乎垂直進出，太陽風能量粒子進入地球磁層後，可以沿著磁力線沉降到南北極區電離層和中高層大氣，產生一系列重要的地球物理現象，如極光、磁暴、磁層亞暴、電離層暴、極蓋吸收、西向浪湧及對中層大氣加熱和電離等，這些空間天氣過程在極區最先發生，最為強烈，並逐步向中低緯地區傳播。

 

近年來，我國南北極考察的發展，開闢了極區高空大氣物理研究新領域。我國在極區電離層、極光和粒子沉降、極區電流體系、極區等離子體對流、地磁脈動和空間等離子體波、極區空間環境的南北極對比、極區電離層—磁層數值模擬等方面取得了一系列原創性的研究成果，引起國際同行關注。

 

初步建立能量流動路線圖

 

太陽風能量通過磁場重聯和類黏滯作用進入磁層，分別以焦耳熱和極光粒子沉降進入高緯電離層、增加內磁層環電流和粒子能量、加熱磁尾等離子體片粒子，以等離子體熱能、動能和磁能形式儲存在磁尾，和以等離子體團的形式離開磁尾重新進入下遊太陽風。

 

太陽風的能量進入地球磁層後，在磁層內部環電流區、極區高層大氣和磁尾區釋放能量。環電流區的能量一部分經過部分環電流—場向電流和電離層電流構成迴路，在極區高層大氣中耗散。其餘能量通過電荷交換、庫倫碰撞、波粒相互作用以及漂移損失等過程消耗。

 

在地球極區上空，能量通過焦耳熱和極光粒子沉降耗散。磁尾能量一部分通過磁尾磁重聯生成的等離子體團攜帶至遠磁尾，一部分通過加熱磁尾粒子耗散。

 

在日地能量傳輸研究方面，我國學者檢驗和修正了太陽風—磁層能量耦合函數，建立了太陽風—磁層—電離層耦合等效電流體系。特別是近年來隨著觀測數據的增加，對環電流能量收支平衡有了新的認識，構建了Dst指數（反映環電流引起的地磁場變化）與太陽風動壓和AL指數（反映極區電離層電流引起的地磁場變化）之間的函數關係，改進了Dst指數的預報。

 

通過子午工程和極地考察能力建設，我國建立和完善了極區空間環境地面觀測體系。我國南北極空間環境觀測，特別是極區高頻雷達和極光、地磁臺鏈的建立，實現了由點到面的轉變。

 

我國極地空間環境監測與研究在國際學術組織和重大國際合作研究計劃中發揮重要作用。我國研究人員在南極研究科學委員會（SCAR）、歐洲非相干散射雷達（EISCAT）、國際超級雙子極光雷達探測網（SuperDARN）等組織中擔任重要職務，在國際探測和學術團體中發揮了重要作用。

 

「今年7月，在國家自然科學基金全國空間天氣亮點研究方向研討會上，相關專家建議發揮我國極區地面觀測的優勢，以能量流動及其空間環境響應為主線，開展空間事件的聯合分析，初步建立空間天氣事件能量流動路線圖。」張北辰說，「但空間天氣事件能量流動路線圖的建立，仍然需要更多的觀測數據和經驗的、理論的模式，對來自太陽的能量在近地空間的收支平衡作出定量估計，以更好地預測空間環境變化。」

 

《科學時報》 (2011-12-05 A4 基金)

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