太陽活動是如何影響地球空間環境的？

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圖1 太陽活動示意圖

一連串的活動區一個接一個地在太陽的上半部分排列開來，

相互扭結和作用達4天半（2011年9月28日～10月2日）。

如圖用極紫外光所見，劇烈的磁活動區閃耀著成卷的拱形環。

資料來源：NASA/SDO

太陽活動對地球空間環境的影響

太陽活動及其變化在各種時間尺度上驅動著空間天氣。基於此，研究隱藏在太陽內部的這些變化活動的起源，以及這些活動如何進入近地空間並與空間環境發生相互作用，是非常重要的研究課題。

實際上，太陽比白天肉眼所看到的更為活躍和複雜（圖1）。幾個地球半徑大的太陽黑子散布在太陽表面，它所攜帶的強大磁場比太陽平均背景場要大數千倍。每個太陽活動區在數分鐘至數月的時間尺度上增長、消退和重新組織。太陽黑子集體成組出現形成了約11年的太陽活動周期和約22年的磁場活動周期。太陽風的典型速度和太陽輻射變化與太陽周期性變化一致。在太陽活動極大期，太陽能以高達一天三次的頻率噴發數十億噸的等離子體。這些CME的速度能達到背景太陽風速度的5倍以上，如果它們朝向地球的話，能在一天之內到達地球。CME通常同太陽耀斑這個最劇烈的爆發現象聯繫在一起。CME能引起大的地磁暴活動，這些磁暴能影響像電網之類的地面設施系統。

太陽耀斑將地球沐浴在過量的電磁輻射之中，但只有強X射線和紫外線能顯著影響地球向陽側電離層，而通訊和導航系統則受電離層狀態變化的影響。耀斑在數分鐘內就能釋放巨大的能量，並能持續數小時之久。每個太陽活動周內大概會有一次超級耀斑，強到極強耀斑能達到數百個。太陽質子事件是另一種太陽的活動信號。相對論能量的質子在太陽表面附近產生，如果被激波攜帶傳向地球的話，最短能在15min左右到達。從歷史記錄來看，每個太陽活動周內，超強的質子事件大概能發生1次左右，強到極強的質子風暴大概有15次。極強的質子風暴會影響宇航員和航天器活動；它們也會擾亂極區航線的航班操作，並對機組人員造成潛在的長期身體健康影響。基本上每一個太陽活動都會影響地球上的生命。

第24太陽活動周期開始於第23周期之後的第13年，而且可能是人類空間時代以來最弱的一個活動周期。儘管人們對太陽表面流動的測量準確性不斷增加，對驅動太陽活動的發電機模型研究更加精細，但科學家依然對物理上預報大黑子的出現缺乏信心，更不用說未來10年的太陽活動水平了。部分信息缺失的原因在於太陽極區的觀測很難做到。由太陽深處緩慢流動攜帶至極區的磁通類型調控著太陽深處發電機的種子，而後者導致了隨後的太陽活動周期。

儘管驅動太陽周期性變化的是大尺度的動力學過程，但是亮度、加熱、質量流的實際變化機制同樣依賴於發生在小尺度上的各種相互作用的總和。與連續的小尺度活動組成的火熱背景相對，全球結構則在一個巨大的尺度上儲存著極大的能量。磁應力的結構可以被模擬出來，卻不能被直接觀測。耀斑或CME中災難性能量釋放的觸發機制仍是未解之謎。只有通過太陽附近的探測器直接探測太陽風，才有可能弄清一般太陽風及更高能量粒子的加速機制。

地球磁層、電離層和大氣層動力學和耦合過程，以及對太陽和地球輸入的響應

地球空間環境所處的區域由中性氣體、帶電粒子和發生在一系列時空尺度上的等離子體波動相互作用耦合而成。通過此環境的能量和動量輸運表現出不同程度的反饋和複雜性，這就要求一個將其視為緊密耦合系統的研究方法。

圖2 磁重聯磁場、流動和擴散區域的示意圖

資料來源：MMS-SMART科學團隊

地球空間環境受太陽風的影響。當被拖拽的太陽風磁場和地球磁場在二者指向相反的地方相遇時，它們會通過「磁重聯」的過程而湮滅（圖2）。磁重聯驅動將高能粒子帶向地球的磁層，粒子在那裡被注入並被俘獲到環繞地球的軌道上，從而形成外輻射帶。儘管目前重聯如何發生和驅動磁層對流的主要觀點已經很好地建立起來，但是磁層中磁重聯的根本物理原因仍未被充分理解，難以預測這一過程將發生在何時何地、發生得多快，以及如何促成質量、能量和動量的輸運。因此，理解帶電粒子的加速、散射、損失這些控制輻射帶增強和損耗的過程，成為太陽和空間物理學優先考慮的問題。

磁暴期間，來自磁層內邊界（電離層）的劇烈離子上涌過於強烈以至於它能夠通過調節日側和夜側的磁重聯來改變磁層動力學。電離層也是等離子體-中性氣體基本相互作用的場所，這塊區域必須利用高時空解析度來理解中性大氣-電離層系統的動力學。當磁層電流被擾動時，正是電離層為其提供另一條路徑來加熱地球大氣層。

通過研究和觀測來理解這個系統中的能量輸運、冷卻和構造。來自磁層的高達1 TW甚至更多的劇烈能量輸入，主要發生在緯向跨度不到10°的區域。磁暴期間，整個極區及向下到中低緯地區的能量被重新分配。理論上仍然無法解釋高緯加熱幾小時後全球熱層是如何「膨脹」的，並且磁暴期間的冷卻過程還不十分清楚。

地球高層大氣和電離層是一個研究輻射過程和有磁場條件下等離子體－中性成分耦合的實驗室。這裡的過程非常複雜：等離子體-中性成分碰撞，相關聯的中性風驅動湍流，這些湍流串級到非常小的空間尺度並且干擾通信。能量和動量主要通過波動的方式從低層大氣傳遞到高層大氣和電離層。儘管波動的存在和重要性是沒有爭議的，相應的中性大氣和電離層之間的耦合過程卻牽涉許多現在還未理解的多尺度動力學。理解能量分配、動力學行為及來自上面和下面的波動能量劇烈影響的這一區域的日變化對太陽和空間物理學提出了巨大挑戰。

向大氣中排放的溫室氣體（如二氧化碳和甲烷）正改變著全球氣候，加熱低層大氣而冷卻高層大氣。低層大氣中，溫室氣體的不透熱性通過捕獲地球表面的紅外輻射能來獲得能量，並通過與其他分子的碰撞將其轉化為熱能。然而，熱層中分子間碰撞沒那麼頻繁，溫室氣體通過碰撞獲取能量然後將此能量用紅外波段輻射到太空中去來促進冷卻。

熱層的持續冷卻將改變大氣層-電離層的耦合，從而改變磁層-電離層系統的全球電流，進而從根本上改變磁層-電離層耦合。藉助長期以來的衛星數據和地基電離層探測裝置網路，這些趨勢現在才得以逐漸發現和認識。這是一個顯著的行星變化，至少可以部分歸結於人類社會對地球大氣層的調節。

本文摘編自中國科學院國家空間科學中心主任吳季等著的《2016~2030年空間科學規劃研究報告》第5章部分內容。

978-7-03-047460-5

空間科學是以空間飛行器為主要平台，研究發生在日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間的物理、天文、化學及生命等自然現象及其規律的科學。空間科學開展宇宙、生命的起源演化和基本物理規律的前沿探索，是當今自然科學重大發現與突破不斷湧現的熱點學科。本書是中國科學院國家空間科學中心牽頭的「中國空間科學中長期發展規劃」研究團隊的最新成果，在介紹空間科學國際發展趨勢和國內發展現狀的基礎上，分析了我國發展空間科學的國家需求，闡述了至2030年中國空間科學擬研究的前沿科學問題，提出了中國至2030年發展戰略目標、空間科學計劃及所包含的科學衛星任務，繪製了至2030年中國空間科學發展路線圖，並探討了支撐和保障空間科學發展所需的技術手段與能力。

來源：科學出版社

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