捕捉太陽風和地球磁層的「攻防」全景
本報記者 唐 婷
天聞頻道
太陽無時無刻不在影響著太陽系天體。美國國家航空航天局(NASA)的科學家們一直使用望遠鏡對木星兩極的極光進行觀測。近日，他們發表論文稱，太陽風對木星兩極加熱的程度超過預期，太陽風對木星的影響是「空間天氣的極端例子」。
受到太陽風影響的還有地球。日前，歐洲空間局理事會正式批准中歐聯合開展的太陽風-磁層相互作用全景成像衛星計劃(簡稱「微笑衛星」計劃)啟動工程實施。而實現首次對地球空間大尺度結構的整體成像，揭示太陽活動影響地球空間環境的變化規律，為預測及減輕地球空間天氣災害發揮重要作用，是「微笑衛星」計劃的主要任務。
從「盲人摸象」到一覽全貌
太陽活動是日地空間系統中災害性天氣事件的驅動源。典型的太陽爆發活動包括耀斑和日冕物質拋射，其產生的帶電粒子流以太陽風的形式在行星際旅行，對地球空間環境產生擾動。
來自太陽的「風」可並不溫柔。在地球上，12級颱風的風速是每秒32.5米以上，而太陽風的風速，在地球附近卻經常保持在每秒350—450千米，是地球風速的上萬倍。
幸運的是，地球大氣之外的地球磁層撐起了一把「保護傘」。地球磁層可以使大量來自太陽的高能粒子偏轉方向，對地球生物、人造衛星和空間站等形成有效的保護。
如果沒有「保護傘」，地球大氣將被太陽風吹走，液態水也難以保存。「用科學的語言來講，這把傘主要指『磁層頂』，即太陽風和地球磁層的分界區。通過研究，我們知道『保護傘』是存在的，但對於它的整個形貌並不清楚。」 「微笑衛星」計劃中方首席科學家、中國科學院國家空間科學中心主任王赤說。
探索太陽風和地球磁層的相互作用機理，是國際空間科學領域的研究熱點。起步較早的歐洲空間局曾實施Cluster(星簇)計劃，發射了4顆衛星對地球磁層進行觀測。
「此前開展的相關計劃，從精細尺度，對了解地球空間系統的動力學過程作出了重大貢獻。然而，這些衛星都是對局地空間環境進行探測，有些類似『盲人摸象』。」王赤指出，還需要從宏觀尺度，對太陽風和地球磁層的相互作用進行整體成像。
據介紹，「微笑衛星」計劃將首次利用軟X射線成像技術，結合衛星實地探測，首次對太陽風和地球磁層之間的相互作用進行全球成像。「微笑衛星」計劃預期於2023年底發射，運行壽命3年。
尋找「保護傘」的漏洞
事實上，地球磁層形成的「保護傘」並非密不透風。部分太陽風能量會進入地磁「保護傘」，進而引發空間天氣。
為什麼會有「漏網之魚」？對此，王赤打了個形象的比方。「之所以能進來，是因為傘上有破洞，科學術語叫『磁重聯』。當太陽風的磁場和地球磁場發生重聯，高能粒子會沿著重聯的磁力線進入地球空間。」
具體而言，部分太陽風能量和物質會通過磁場重聯等過程進入地球磁層內部，引起電離層和地磁的劇烈擾動，表現為磁暴或磁層亞暴等。強磁暴會對航天系統、無線電系統、電力和能源系統等產生嚴重影響。
令人印象深刻的是，1989年一次日冕物質拋射所引發的強磁暴襲擊了加拿大魁北克地區的電網，導致該地區出現大範圍的斷電事故，受直接影響的居民人數達到600萬人。
磁重聯是偶然發生的，還是一直存在的？它在什麼條件下會出現？「破洞」的位置和形態是相對固定，還是在不斷變化？王赤認為，要回答這些問題，僅靠局地觀測難以實現，因為磁重聯很可能發生在進行局地觀測的衛星視野之外。
事實上，學界對磁重聯現場發生機制有著不同的認識。有理論認為，磁場重聯是穩態的重聯，即「保護傘」上的破洞是一直存在且相對固定的。還有理論認為，磁場重聯是間歇發生的現象，即「保護傘」上的「破洞」會不斷地出現並演變、消失。
在王赤看來，上述兩種現象可能會同時存在。「磁重聯是太陽風和地球磁層相互作用中非常重要的一環，全景式的觀測將豐富人們對於磁重聯的認識，同時揭開更多關於空間天氣的謎團。」