空間物理

有用嗎？

許多空間物理專業(yè)的學生可能都會害怕在講報告時被老師們問到這樣一個問題——你研究的東西，有什么意義？“意義”，研究了這么久，我們對自己所研究的東西的意義，似乎應該是了如指掌的。但很多時候，我們在基礎科學的研究中可能會只專注于科學問題本身，而很少去思考“這東西到底有什么用，我們研究這些東西是為了什么”。

圖1

圖2

空間物理的研究意義，專業(yè)一點的話可以簡單描述為研究太空中等離子體的結構、環(huán)境和現(xiàn)象的一門學科。聽起來和我們的日常生活相去甚遠，很多的人聽完這一解釋便對這門學科望而卻步。在介紹這門學科有什么用之前，往往需要對“太空中的等離子體”這一概念進行說明，這也正是一個容易讓人失去興趣的過程。如何將這個過程簡單易懂地講給聽者則是一個難題。

圖3

從地球高層大氣到太陽，這些都屬于空間物理研究的區(qū)域。從距離上看和我們間隔甚遠，這段距離內發(fā)生的各種物理過程卻又無時無刻不在影響著我們的生活。

所以今天我們就來講講空間物理和生活的聯(lián)系。

和日常生活聯(lián)系緊密的

空間物理

導航通信廣播

簡單來說，我們熟知的天空主要指距地面約六十公里以下的全部為氣體區(qū)域，該高度以上的區(qū)域中的物質發(fā)生電離，以等離子體的形態(tài)存在，雖然由氣體變成了等離子體，但如氣體一樣，等離子體也是一種可以流動的物質。低高度的天空中，水汽密度低的地方是透明的，水汽云集的地方則形成云塊。高高度的等離子體，在密度高處也存在“云”這一結構。濃密的“云”會對衛(wèi)星信號的傳輸造成干擾。因此，研究空間物理環(huán)境對于精確定位，導航以及即時通訊意義十分重大。

圖4 全球電離層電子密度（電子密度指示等離子體濃度）分布，低緯的磁赤道兩側有濃密的等離子體聚集。高層大氣如我們日常所見的低高度的“藍天白云”一樣，是不均勻的。

太陽的劇烈擾動會造成等離子體的擾動，從而產生厚重的“云”，如同對流層的云會造成飛機運行的強烈震動，等離子體的“云”也會干擾信號的傳輸及衛(wèi)星定位系統(tǒng)。如今，衛(wèi)星的通訊和定位服務已經(jīng)遍布我們生活的方方面面。俄烏戰(zhàn)爭已經(jīng)讓我們看到了衛(wèi)星定位的重要性，精確的衛(wèi)星定位提供的海量情報可以極大影響戰(zhàn)爭的態(tài)勢。劉慈欣的《全頻帶阻塞干擾》一書就提出了大膽的構想，即面對敵人在通訊方面的巨大優(yōu)勢，果斷對域內所有波段的信號都實施最強烈的干擾，造成戰(zhàn)爭兩方都喪失通訊能力，將信息通訊水平拉回同一起跑線。

圖5 俄軍現(xiàn)役的“鮑里索格列布斯克-2”短波/超短波無線電偵察干擾車，用于定向干擾GPS的信號以遏制“海馬斯”火箭炮的襲擊。

空間環(huán)境預報

太陽活動造成的空間環(huán)境擾動，在某些時候也可以歸為一種自然災害，造成局部磁場劇烈變化進而導致一些通電設備的損壞。這里就不得不提到著名的卡林頓事件（Carrington Event）：發(fā)生于1859年，這是有史以來最著名的太陽風暴事件之一。英國天文學家理查德·卡林頓（Richard Carrington）觀察到了這次太陽耀斑，它導致了地球上強烈的地磁暴，影響了當時的電信系統(tǒng)，甚至使得赤道附近的地區(qū)觀測到了極光。整個西方世界的電報系統(tǒng)均出現(xiàn)失靈并起火的現(xiàn)象，在某些情況下甚至出現(xiàn)接線員觸電的情況。

圖6 對卡林頓事件前后磁場變化的模擬，日冕物質拋射的沖擊造成地球磁場的形態(tài)大變。

最近一次造成地面設備大范圍破壞的事件發(fā)生在1989年3月13日至14日。一次強烈的太陽耀斑引發(fā)了地球上的顯著地磁暴，影響了加拿大的魁北克省，導致大范圍的電力系統(tǒng)故障，造成了長時間的停電，甚至讓部分美國人懷疑是蘇聯(lián)對其發(fā)動了攻擊。

最近的一次空間環(huán)境擾動造成破壞的事件則與網(wǎng)紅公司SpaceX有關。SpaceX在2022年2月3日發(fā)射升空的49顆星鏈計劃衛(wèi)星（Starlink），由于受到地磁暴的嚴重影響，多達40余顆于次日損毀。本次發(fā)射衛(wèi)星的策略是，先用火箭將衛(wèi)星送入210公里的預定軌道，再用電推進器將衛(wèi)星送往更高高度。然而衛(wèi)星由火箭推進轉向電推進時遭遇地磁暴。事實上本次只是一次低強度磁暴，但是這次地磁暴導致大氣密度增加，阻力增強，此時衛(wèi)星處于210公里的軌道，大氣阻力與電推進力可能大體相當，推進作用失效。

圖7 疑似星鏈計劃墜毀的影像。

科學家們可以通過監(jiān)測太陽活動（太陽黑子，耀斑），空間天氣觀測（包括太陽風，宇宙射線通量，行星際磁場等），建立數(shù)學模型等方法進行空間天氣預警。那么，我們可以從哪里獲知空間環(huán)境預報呢。這里給出一個例子，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）：NOAA的太空天氣預測中心（SWPC）負責發(fā)布太空天氣預報，包括太陽風暴、地球磁暴、極光活動等信息。https://www.swpc.noaa.gov

圖8 NOAA的太空天氣預測中心的網(wǎng)站，紅框內為對空間天氣的預報。

極光觀測

極光是一種壯觀的自然景觀，吸引著許多人前往觀賞。極光研究幫助人們了解極光的生成機制和預測方法，有助于選擇最佳的觀測時間和地點，提高觀賞極光的機會。有的空間物理學家甚至會在解釋自己的專業(yè)時直接稱自己是研究極光的。

圖9 攝于阿拉斯加的極光。

極光并不是地球所獨有的現(xiàn)象，許多其他行星也存在這種奇觀。不同行星的極光特征的不同也反映了行星本身成分和磁場結構的特質。因此極光研究對于我們了解和開發(fā)其他行星也具有重要意義。如今，我們可以通過發(fā)射探測衛(wèi)星來讓我們一睹這些地外行星的壯麗景象?；蛟S在空間航行日益發(fā)達的未來，這些地外行星極光的觀測也可以發(fā)展為旅游項目。

圖10 木星上也存在著極光。

地磁場研究

這一部分和固體地球物理的通訊有所重合，盡管人類對地磁場的研究已有數(shù)百年的歷史，但限于觀測位置，觀測經(jīng)度的限制，我們對地磁場的研究仍然有限，況且地磁場是在不斷變化中的。地磁場是全球定位系統(tǒng)（GPS）等導航系統(tǒng)的基礎之一。它提供了精確的導航和定位信息，對于航空、航海、交通運輸、軍事等領域至關重要。

圖11 研究地磁場和太陽風相互作用的MMS任務想象圖，顯示出地球磁場的磁場線并不規(guī)則。

地磁場的變化也與地球內部圈層結構，外核流動，以及局部磁異常（地下包含磁性物質的礦區(qū)）有關。通過對地磁場的觀測，科學家們可以研究地球內部的結構，板塊運動等特征，乃至更好地理解地球的形成和演化過程。

和日常生活聯(lián)系不那么緊密的

空間物理

空間航行

得益于強大的地磁場的保護，如卡林頓事件一般，對我們日常生活造成強烈影響的太陽活動較為少見。而脫離了地球的保護，航天器和宇航員要面臨的電磁輻射情況就要比地球上復雜的多。

圖12 《太陽浩劫》中宇航員受到太陽風沖擊。

日冕物質拋射，往往分成三個部分，電磁輻射增強（耀斑，8分鐘左右達到地球）、高能粒子流（1小時左右到達地球）以及從太陽日冕拋射出的高速等離子體云（2-3天到達地球）。高強度的輻射可能會對宇航員的體內組織細胞造成破壞，并造成航天器電子設備的故障。因此，一方面需要對可能增強的太陽輻射進行監(jiān)測預報，另一方面要為航天器設計屏蔽層用以防護。

輻射防護在地外行星的探索過程中也有重要作用。如木星輻射帶（木星周圍的一個輻射極強的區(qū)域）的高強度電磁輻射對于經(jīng)過此處的航天器硬件設計就有很高的要求。

圖13 為日冕儀的觀測圖像。白圈為太陽輪廓，白框中為日冕物質拋射結構。在巨大的日冕物質拋射面前，即使是地球也顯得微不足道。面對宇宙的極端復雜環(huán)境，渺小的人類探測器必須有足夠的防護手段來保護自身。

地外行星探測

空間物理研究有助于了解地外行星的磁場、電離層、大氣層如何受太陽風和宇宙射線的影響。在這些最基本的了解之上，我們才有足夠的信息去揭示行星的起源、演化以及行星表面上可能存在的生命跡象。

圖14 《火星救援》中沙塵暴的恐怖景象。進行地外行星探測時必須要面對當?shù)乜赡艿母鞣N自然災害。

圖15 好奇號拍攝的火星真實沙塵暴景象，火星的大氣壓約只有地球的千分之七，由于空氣稀薄，風將能量傳給物體的能力較弱，所以盡管沙塵暴遮天蔽日，但真正能造成的影響較為有限。

空間物理研究對于揭示地外行星磁場結構以及行星周圍的輻射環(huán)境，還有行星氣候、季節(jié)變化至關重要。這些信息可以幫助我們了解行星上的生存條件以及可能存在的生命條件，特別是對于未來人類探索和殖民的可行性至關重要。雖然這些研究在一定時間內得不到直接的回報，但對于整個人類文明的發(fā)展來說，是必須邁出的一步，是一種長期的投資。

圖16 NASA給出的火星探測站想象圖，鑒于地外行星探測的高成本，前往一個地方進行探測，必須先對當?shù)丨h(huán)境有足夠的了解以保障項目的成功。

太陽物理

等離子體是空間物理的主要研究對象之一，而太陽大多是由等離子體構成的。大氣環(huán)流、地磁場擾動、地球大部分的能量來源化石能源等等，其最終的來源都是太陽。地磁暴等空間物理現(xiàn)象也可以說很大程度上是由太陽活動引發(fā)的。我們應該如何利用太陽帶來的能源，并且規(guī)避其可能帶來的風險，是關乎人類文明的生存和發(fā)展的問題。

圖17 NASA對太陽黑子的觀測。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了太陽能量釋放和太陽黑子的出現(xiàn)息息相關，但對其中的具體機理仍然了解有限。

太陽物理研究幫助科學家們了解太陽的內部結構、能量產生機制、核聚變過程以及太陽的演化歷史。這有助于我們理解太陽是如何形成的，以及未來可能的演化過程。了解太陽活動對地球的影響有助于提前警示和應對如卡林頓事件一樣的太空天氣事件。

圖18 2018年發(fā)射的帕克太陽探測器將會抵近距太陽不足十個太陽半徑的距離，而水星和太陽的距離約為84個太陽半徑。這是目前人類了解太陽最有力的工具。

參考文獻：

唐芳. 49顆“星鏈”衛(wèi)星遭遇地磁暴，都是太陽惹的禍？中國科技網(wǎng)

http://stdaily.com/index/kejixinwen/202202/5a3cea6bcc53401d980c72f1887e50b8.shtml

Space Radiation Won’t Stop NASA’s Human Exploration. NASA Science.

https://www.nasa.gov/humans-in-space/space-radiation-wont-stop-nasas-human-exploration/

10 Things to Know About Parker Solar Probe - NASA Science

https://science.nasa.gov/missions/parker-solar-probe/10-things-to-know-about-parker-solar-probe

An Earth-like Atmosphere May Not Survive Proximab’s Orbit - NASA

https://www.nasa.gov/science-research/heliophysics/an-earth-like-atmosphere-may-not-survive-proxima-bs-orbit

衣淼. 手機對人體頭部電磁輻射不確定性分析[D].吉林建筑大學,2023.DOI:10.27714/d.cnki.gjljs.2023.000140.

王威,劉宸,王宇譜等.地磁暴對北斗用戶偽距定位的影響分析[J].全球定位系統(tǒng),2019,44(01):82-88.DOI:10.13442/j.gnss.1008-9268.2019.01.012.

圖片來源：NASA, 微博@電波震長空XYY

美編：趙茹昕

校對：伍姝雨 李玉鈐