太空气象及其对地球的影响

  太阳是地球众生的保障者。但是自20世纪80年代以来，太阳多次对地球的电场、磁场和温度场产生干扰，严重影响许多科技工具的使用，常见的手机和重要的卫星都会受到影响。这些干扰发生在距离地面70千米以外的地球空间环境中，且以非常快的速度发生演变。为了了解和深入地认识这些现象，科学家们创立了空间气象学，就此开启了一个动荡异常的世界。

  自20世纪中叶起人们已经了解太阳内部的主要结构；自20世纪90年代SOHO卫星的发射以来，人们开始了解太阳并不像原本以为的那样平静。太阳产生了电磁辐射、宇宙辐射、太阳风、宇宙间持久或爆发性的现象，是与地球空间环境相互作用的所有能量的来源。

  电磁辐射覆盖的波长范围很广：从伽马射线、到紫外线到可见光，再到无线电波（见“黑体的热辐射”以及“天空的颜色”）。表1呈现了不同波长和其所对应的能量。太阳也是物质持久流动的源头，这些物质主要包括电子、质子，还有基本的带电粒子（见“太阳的能量”），这些粒子形成了太阳风，在太阳活动的平静期，太阳风的速度在每秒200到800千米（km/s）之间，而在极其活跃的时期能够达到2000 km/s（见“太阳的能量”）。极个别情况下，太阳风的速度接近光速，这时构成它的粒子称为宇宙辐射，能量可达几百万电子伏特，这是在银河系的恒星中发现的具有这种能量的第二个来源。宇宙辐射这个历史遗留下来的名字具有迷惑性，它不是辐射，而是粒子。

表1 太阳辐射从红外到伽马射线的波长能量关系表

  太阳风和太阳辐射的振幅是可变的，变化形成太阳活动。太阳活动的平静期与活跃期交替出现，呈现出鲜明的10到13年的循环周期特性，称为“施瓦布周期”或简称为“太阳周期”。

  电磁辐射、宇宙辐射、或持续或突发的太阳风都是与地球空间环境相互作用的能量源……

1.辐射的效应

  距离地面105千米以下的地球上层大气的主要成分是氧和氮的分子；距离地面200千米至600千米处主要是原子氧，还有少量氢、氦、氩和原子氮。距离地面大约400千米处，大气颗粒的总浓度约为每立方米10亿亿（1018）个，温度约为750℃——这里是热球层（见“高层大气”）。此处高温的原因是太阳辐射小于紫外线（UV）的波长，具有极高的能量。这种高能辐射（见“黑体的热辐射”）也很可能激发、破坏分子，甚至发生大气电离，即从目标粒子中至少移走一个电子。

  这些极具能量的光子如果到达低层大气或地面，那么地球不会出现生命。热球层发生的多种现象阻碍光子下行，并吸收了光子的能量。由此，我们的头顶存在一个抵挡太阳辐射的盾牌。

  大气中由离子和电子组成的部分叫做电离层。在太阳活动的平静期，距地面400km处的电子的温度大约为1100℃，而同高度处的离子的温度“仅”有800℃。事实上，这里的大气已经是部分电离的了，即形成由中性气体组成的混合物，主要有分子氮、分子或原子氧、离子以及电子的混合物。这种特殊的物质状态称为等离子体，是由一种“电中性”流体和与之互动的“带电”流体形成的混合物质。

2.粒子的远距离效应

  地球及其磁场形成了太阳风需要绕过的障碍。如果没有太阳风，地球磁场（或地磁场）的影响在地球周围是对称的：即地球磁场无论从东、西、日照面（接收太阳照射的面）或背阴面（太阳照射不到的一面）哪个角度看都完全相同。而太阳风促使地磁场在地球上方约15个地面辐射距离处形成激波，迫使太阳风中的粒子排布符合地磁场的形状。极少有粒子能够跨越边界，即磁层顶。这里，磁场压力抵消太阳风的压力。日照面一侧的磁层顶通常位于10个地球半径的位置；当太阳活动特别强烈的时候，这个值可能会低于6。磁层顶的腔体内部主要受到地磁场的影响，称为磁层（见“磁层：在地球与太阳的作用之下”）。它在地球的日照面一侧凹向地球，而在背阴面受太阳风影响拉伸出一条长长的尾巴，总体呈现水滴状（见图1）。

  沿着磁层顶，部分太阳风漂移并进入背阴面的磁层空腔；还有部分在约30个地面辐射距离处，即重连接区域内，重新结合。在日照面一侧，太阳风也可能直接进入磁层，主要取决于太阳和太阳风的磁性状态。粒子离地球越近，地磁场对其作用力就越强，直至在几个（5到10个）地球半径的距离内，电子和离子在地磁场的作用下已经无法继续靠近地球：最终在地球外部形成一个环绕地球的电流环，称作艾伦辐射带。当有碰撞现象发生时，它们会逃逸出来并沿自身所处的磁场线最终进入大气层。穿越进入和沿磁层周围运动的过程会将这些粒子的能量增加到几百到几千个电子伏特。借用经典的气象学术语，我们使用“粒子沉降”（降水）描述这些离子和电子。

  三维空间中，壳状结构比地磁线可以更加贴切地表示地磁场，因为粒子填充的不是磁场两条线之间的面积，而是磁场在两层壳之间的体积。这就是极光椭圆区，通常位于南北向的磁纬度65°和75°之间。由于太阳风持续存在，极光椭圆区也长期存在。

3.粒子近距离效应

  “粒子沉降（流）”在地球上空700千米到大约70千米之间进入大气。在继续向下运动的过程中，运动之旅由于空气密度升高无法继续。粒子会撞击到大气层，发生升温、激发甚至电离过程。而这些被改变状态的粒子往往通过释放电磁波回归到初始状态，有时电磁波波长也会落在可见光范围内，这就形成了极地极光（见图3）。

4.太空气象

  二十世纪中叶以来，科学家们了解到地球的空间环境对太阳活动非常敏感[1]。例如，磁球层承载着各种电流（见“磁层：在地球与太阳的作用之下”）。当地球表面的地面可以导电时，电流就会引发传播相当距离的其他电流。电流持续、不断。发电厂的变压器只能处理交流电：例如，欧洲交流电的工频为50Hz，美国的为60Hz。直流电会导致变压器显著升温而发生故障；直流电还会因为管线与地面间的电势差的提高而加速腐蚀管道。

  太阳活动还会干扰地磁环境，导致从手机通信到地面与卫星之间的通信等各种尺度的通信问题。此外，大气升温会增大卫星受到的摩擦力，进而改变其运动轨道。如不修正就会减少卫星的使用寿命。

  或许更加危险的是，太阳活动会使星际尘埃、流星、陨石、火箭的各级助推器、报废的卫星、各种航天器碎片的位置信息丢失。上层大气受热膨胀后会移动这些碎片，所以有必要严密地进行监测。目前，卫星因与空间碎片碰撞而损失的风险高达0.01%，这意味着每10000颗卫星中就有一颗因碰撞受到损毁，且受损概率随时间呈指数增长。如果太阳扰动和加热十分强烈，碎片被大气层带走，需要几个小时才能追踪得到。

  卫星本身暴露于磁球层的各种电流之中，电流强度随太阳活动的变化而变化。这些电流能够电离太阳能电池板或各种仪器的涂层，使其性能下降；还可能破坏机载计算机程序，导致卫星失联。磁球层之外，卫星暴露在太阳风中。尽管太阳风一般不太猛烈，但当太阳释放出超高能量的质子时，结果就会大不相同：2003年10月，大约有30颗卫星遭遇通信中断，其中3颗永久地失联了。

  太阳活动还可以造成生物学的影响，改变宇航员和机组人员的DNA。还有一些人将20世纪中期以来的全球变暖归因于太阳活动的变化（见“气候机制”以及链接“气候预测”）。事实上，我们现在知道，太阳活动只能对气候产生区域性的影响，影响程度远远不足以解释全球性的变化[2]。

  太阳活动还会对电子通讯和卫星定位系统（GPS、Glonass（格洛纳斯）、伽利略…）造成影响（见图4）。此外，太阳活动还会影响保险公司、银行或旅游公司的收益，通过提出卫星的保护标准或发展极光旅游和太空旅游而获得利益。总之，太阳活动的影响涉及到地球上的每一个人。美国和欧洲的研究表明，预测太阳活动和量化其影响的收益高达数十亿欧元。太空气象[3]作为一门致力于预测的新兴学科有着光明的前景。

 

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参考资料和注释

[1] J. Lilensten and P.L. Blelly, Du Soleil à la Terre, aéronomie et météorologie de l’espace, collection Grenoble Sciences, EDP Sciences, ISBN 2 86883 467 1, January 2000

[2] J. Lilensten, T. Dudok de Wit, K. Matthes, Earth’s climate response to a changing Sun, ISBN 978-2-7598-1849-5, DOI: 10.1051/978-2-7598-1733-7, EDPS Ed., 2015

[3] J. Lilensten and J. Bornarel, Sous les feux du Soleil : vers une météorologie de l’espace, Grenoble Sciences collection, EDP Sciences, ISBN 2 86883 540 6, November 2001