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威力强大的太阳风

发布日期:2022-11-25 00:00   点击量:2673
太阳无时无刻不在影响着太阳系天体。美国国家航空航天局(NASA)的科学家们发现太阳风对木星两极加热的程度超过预期,太阳风对木星的影响是“空间天气的极端例子”。太阳风也“偷”走了火星上曾经存在的厚厚的大气层,在太阳风暴期间,火星大气的损失尤为明显。受到太阳风影响的还有地球,那么太阳风是如何影响地球的呢?
事实上,太阳活动是日地空间系统中灾害性天气事件的驱动源。典型的太阳爆发活动包括耀斑和日冕物质抛射,其产生的带电粒子流以太阳风的形式在行星际旅行,对地球空间环境产生扰动。太阳风是由电子、质子和较重的离子组成的,以平均每小时160公里的速度穿过太阳系。在地球上,12级台风的风速是每秒32.5米以上,而太阳风的风速,在地球附近却经常保持在每秒350千米至450千米,是地球风速的上万倍。幸运的是,地球大气之外的地球磁层给地球撑起了一把“保护伞”。地球磁层可以使大量来自太阳的高能粒子偏转方向,对地球生物、人造卫星和空间站等形成有效的保护。如果没有“保护伞”,地球大气将被太阳风吹走,液态水也难以保存。用科学的语言来讲,这把伞主要指“磁层顶”,即太阳风和地球磁层的分界区。研究证明“保护伞”是存在的,但对于它的整个形貌并不清楚。
事实上,地球磁层形成的“保护伞”并非密不透风。部分太阳风能量会进入地磁“保护伞”,进而引发空间天气。为什么会有“漏网之鱼”?
这是因为“伞”上有破洞,科学术语叫“磁重联”。当太阳风的磁场和地球磁场发生重联,高能粒子会沿着重联的磁力线进入地球空间。具体而言,部分太阳风能量和物质会通过磁场重联等过程进入地球磁层内部,引起电离层和地磁的剧烈扰动,表现为磁暴或磁层亚暴等。强磁暴会对航天系统、无线电系统、电力和能源系统等产生严重影响。例如1989年一次日冕物质抛射所引发的强磁暴袭击了加拿大魁北克地区的电网,导致该地区出现大范围的断电事故,受直接影响的居民人数达到600万人。
虽然太阳风会对地球空间环境产生影响,但中间的物理过程人们还不是很了解,许多关于地球空间环境对太阳风扰动的研究,将这个系统视为一个“黑匣子”。例如学界对磁重联现场发生机制有着不同的认识。有理论认为,磁场重联是稳态的重联,即“保护伞”上的破洞是一直存在且相对固定的。也有理论认为,磁场重联是间歇发生的现象,即“保护伞”上的“破洞”会不断地出现并演变、消失。针对这个问题,中国科学院国家空间科学中心的王赤团队对太阳风和地球磁层的相互作用进行了深入研究。他们和中科大团队合作建立了三维的全球磁层磁流体力学模型,使我国成为国际上少数拥有能自洽描述太阳风-磁层-电离层耦合系统数值能力的国家之一。王赤认为,磁重联是太阳风和地球磁层相互作用中非常重要的一环,全景式的观测将丰富人们对于磁重联的认识,同时揭开更多关于空间天气的谜团。
本文由中国人民大学附属中学第二分校一级教师王和意进行科学性把关。
来源:新华网科普公众号