空间物理真的有用吗|地球|外行星|太阳|日冕|火星|空间物理

空间物理

有用吗？

许多空间物理专业的学生可能都会害怕在讲报告时被老师们问到这样一个问题——你研究的东西，有什么意义？“意义”，研究了这么久，我们对自己所研究的东西的意义，似乎应该是了如指掌的。但很多时候，我们在基础科学的研究中可能会只专注于科学问题本身，而很少去思考“这东西到底有什么用，我们研究这些东西是为了什么”。

图1

图2

空间物理的研究意义，专业一点的话可以简单描述为研究太空中等离子体的结构、环境和现象的一门学科。听起来和我们的日常生活相去甚远，很多的人听完这一解释便对这门学科望而却步。在介绍这门学科有什么用之前，往往需要对“太空中的等离子体”这一概念进行说明，这也正是一个容易让人失去兴趣的过程。如何将这个过程简单易懂地讲给听者则是一个难题。

图3

从地球高层大气到太阳，这些都属于空间物理研究的区域。从距离上看和我们间隔甚远，这段距离内发生的各种物理过程却又无时无刻不在影响着我们的生活。

所以今天我们就来讲讲空间物理和生活的联系。

和日常生活联系紧密的

空间物理

导航通信广播

简单来说，我们熟知的天空主要指距地面约六十公里以下的全部为气体区域，该高度以上的区域中的物质发生电离，以等离子体的形态存在，虽然由气体变成了等离子体，但如气体一样，等离子体也是一种可以流动的物质。低高度的天空中，水汽密度低的地方是透明的，水汽云集的地方则形成云块。高高度的等离子体，在密度高处也存在“云”这一结构。浓密的“云”会对卫星信号的传输造成干扰。因此，研究空间物理环境对于精确定位，导航以及即时通讯意义十分重大。

图4 全球电离层电子密度（电子密度指示等离子体浓度）分布，低纬的磁赤道两侧有浓密的等离子体聚集。高层大气如我们日常所见的低高度的“蓝天白云”一样，是不均匀的。

太阳的剧烈扰动会造成等离子体的扰动，从而产生厚重的“云”，如同对流层的云会造成飞机运行的强烈震动，等离子体的“云”也会干扰信号的传输及卫星定位系统。如今，卫星的通讯和定位服务已经遍布我们生活的方方面面。俄乌战争已经让我们看到了卫星定位的重要性，精确的卫星定位提供的海量情报可以极大影响战争的态势。刘慈欣的《全频带阻塞干扰》一书就提出了大胆的构想，即面对敌人在通讯方面的巨大优势，果断对域内所有波段的信号都实施最强烈的干扰，造成战争两方都丧失通讯能力，将信息通讯水平拉回同一起跑线。

图5 俄军现役的“鲍里索格列布斯克-2”短波/超短波无线电侦察干扰车，用于定向干扰GPS的信号以遏制“海马斯”火箭炮的袭击。

空间环境预报

太阳活动造成的空间环境扰动，在某些时候也可以归为一种自然灾害，造成局部磁场剧烈变化进而导致一些通电设备的损坏。这里就不得不提到著名的卡林顿事件（Carrington Event）：发生于1859年，这是有史以来最著名的太阳风暴事件之一。英国天文学家理查德·卡林顿（Richard Carrington）观察到了这次太阳耀斑，它导致了地球上强烈的地磁暴，影响了当时的电信系统，甚至使得赤道附近的地区观测到了极光。整个西方世界的电报系统均出现失灵并起火的现象，在某些情况下甚至出现接线员触电的情况。

图6 对卡林顿事件前后磁场变化的模拟，日冕物质抛射的冲击造成地球磁场的形态大变。

最近一次造成地面设备大范围破坏的事件发生在1989年3月13日至14日。一次强烈的太阳耀斑引发了地球上的显著地磁暴，影响了加拿大的魁北克省，导致大范围的电力系统故障，造成了长时间的停电，甚至让部分美国人怀疑是苏联对其发动了攻击。

最近的一次空间环境扰动造成破坏的事件则与网红公司SpaceX有关。SpaceX在2022年2月3日发射升空的49颗星链计划卫星（Starlink），由于受到地磁暴的严重影响，多达40余颗于次日损毁。本次发射卫星的策略是，先用火箭将卫星送入210公里的预定轨道，再用电推进器将卫星送往更高高度。然而卫星由火箭推进转向电推进时遭遇地磁暴。事实上本次只是一次低强度磁暴，但是这次地磁暴导致大气密度增加，阻力增强，此时卫星处于210公里的轨道，大气阻力与电推进力可能大体相当，推进作用失效。

图7 疑似星链计划坠毁的影像。

科学家们可以通过监测太阳活动（太阳黑子，耀斑），空间天气观测（包括太阳风，宇宙射线通量，行星际磁场等），建立数学模型等方法进行空间天气预警。那么，我们可以从哪里获知空间环境预报呢。这里给出一个例子，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）：NOAA的太空天气预测中心（SWPC）负责发布太空天气预报，包括太阳风暴、地球磁暴、极光活动等信息。https://www.swpc.noaa.gov

图8 NOAA的太空天气预测中心的网站，红框内为对空间天气的预报。

极光观测

极光是一种壮观的自然景观，吸引着许多人前往观赏。极光研究帮助人们了解极光的生成机制和预测方法，有助于选择最佳的观测时间和地点，提高观赏极光的机会。有的空间物理学家甚至会在解释自己的专业时直接称自己是研究极光的。

图9 摄于阿拉斯加的极光。

极光并不是地球所独有的现象，许多其他行星也存在这种奇观。不同行星的极光特征的不同也反映了行星本身成分和磁场结构的特质。因此极光研究对于我们了解和开发其他行星也具有重要意义。如今，我们可以通过发射探测卫星来让我们一睹这些地外行星的壮丽景象。或许在空间航行日益发达的未来，这些地外行星极光的观测也可以发展为旅游项目。

图10 木星上也存在着极光。

地磁场研究

这一部分和固体地球物理的通讯有所重合，尽管人类对地磁场的研究已有数百年的历史，但限于观测位置，观测经度的限制，我们对地磁场的研究仍然有限，况且地磁场是在不断变化中的。地磁场是全球定位系统（GPS）等导航系统的基础之一。它提供了精确的导航和定位信息，对于航空、航海、交通运输、军事等领域至关重要。

图11 研究地磁场和太阳风相互作用的MMS任务想象图，显示出地球磁场的磁场线并不规则。

地磁场的变化也与地球内部圈层结构，外核流动，以及局部磁异常（地下包含磁性物质的矿区）有关。通过对地磁场的观测，科学家们可以研究地球内部的结构，板块运动等特征，乃至更好地理解地球的形成和演化过程。

和日常生活联系不那么紧密的

空间物理

空间航行

得益于强大的地磁场的保护，如卡林顿事件一般，对我们日常生活造成强烈影响的太阳活动较为少见。而脱离了地球的保护，航天器和宇航员要面临的电磁辐射情况就要比地球上复杂的多。

图12 《太阳浩劫》中宇航员受到太阳风冲击。

日冕物质抛射，往往分成三个部分，电磁辐射增强（耀斑，8分钟左右达到地球）、高能粒子流（1小时左右到达地球）以及从太阳日冕抛射出的高速等离子体云（2-3天到达地球）。高强度的辐射可能会对宇航员的体内组织细胞造成破坏，并造成航天器电子设备的故障。因此，一方面需要对可能增强的太阳辐射进行监测预报，另一方面要为航天器设计屏蔽层用以防护。

辐射防护在地外行星的探索过程中也有重要作用。如木星辐射带（木星周围的一个辐射极强的区域）的高强度电磁辐射对于经过此处的航天器硬件设计就有很高的要求。

图13 为日冕仪的观测图像。白圈为太阳轮廓，白框中为日冕物质抛射结构。在巨大的日冕物质抛射面前，即使是地球也显得微不足道。面对宇宙的极端复杂环境，渺小的人类探测器必须有足够的防护手段来保护自身。

地外行星探测

空间物理研究有助于了解地外行星的磁场、电离层、大气层如何受太阳风和宇宙射线的影响。在这些最基本的了解之上，我们才有足够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迹象。

图14 《火星救援》中沙尘暴的恐怖景象。进行地外行星探测时必须要面对当地可能的各种自然灾害。

图15 好奇号拍摄的火星真实沙尘暴景象，火星的大气压约只有地球的千分之七，由于空气稀薄，风将能量传给物体的能力较弱，所以尽管沙尘暴遮天蔽日，但真正能造成的影响较为有限。

空间物理研究对于揭示地外行星磁场结构以及行星周围的辐射环境，还有行星气候、季节变化至关重要。这些信息可以帮助我们了解行星上的生存条件以及可能存在的生命条件，特别是对于未来人类探索和殖民的可行性至关重要。虽然这些研究在一定时间内得不到直接的回报，但对于整个人类文明的发展来说，是必须迈出的一步，是一种长期的投资。

图16 NASA给出的火星探测站想象图，鉴于地外行星探测的高成本，前往一个地方进行探测，必须先对当地环境有足够的了解以保障项目的成功。

太阳物理

等离子体是空间物理的主要研究对象之一，而太阳大多是由等离子体构成的。大气环流、地磁场扰动、地球大部分的能量来源化石能源等等，其最终的来源都是太阳。地磁暴等空间物理现象也可以说很大程度上是由太阳活动引发的。我们应该如何利用太阳带来的能源，并且规避其可能带来的风险，是关乎人类文明的生存和发展的问题。

图17 NASA对太阳黑子的观测。现在我们已经知道了太阳能量释放和太阳黑子的出现息息相关，但对其中的具体机理仍然了解有限。

太阳物理研究帮助科学家们了解太阳的内部结构、能量产生机制、核聚变过程以及太阳的演化历史。这有助于我们理解太阳是如何形成的，以及未来可能的演化过程。了解太阳活动对地球的影响有助于提前警示和应对如卡林顿事件一样的太空天气事件。

图18 2018年发射的帕克太阳探测器将会抵近距太阳不足十个太阳半径的距离，而水星和太阳的距离约为84个太阳半径。这是目前人类了解太阳最有力的工具。

参考文献：

唐芳. 49颗“星链”卫星遭遇地磁暴，都是太阳惹的祸？中国科技网

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