捕捉太阳风和地球磁层的“攻防”全景

来源：国家空间科学中心

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）的科学家们一直使用望远镜对木星两极的极光进行观测。近日，他们发表论文称，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”。

受到太阳风影响的还有地球。日前，欧洲空间局理事会正式批准中欧联合开展的太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划（简称“微笑卫星”计划）启动工程实施。而实现首次对地球空间大尺度结构的整体成像，揭示太阳活动影响地球空间环境的变化规律，为预测及减轻地球空间天气灾害发挥重要作用，是“微笑卫星”计划的主要任务。

从“盲人摸象”到一览全貌

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。

来自太阳的“风”可并不温柔。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—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。通过研究，我们知道‘保护伞’是存在的，但对于它的整个形貌并不清楚。” “微笑卫星”计划中方首席科学家、中国科学院国家空间科学中心主任王赤说。

探索太阳风和地球磁层的相互作用机理，是国际空间科学领域的研究热点。起步较早的欧洲空间局曾实施Cluster（星簇）计划，发射了4颗卫星对地球磁层进行观测。

“此前开展的相关计划，从精细尺度，对了解地球空间系统的动力学过程作出了重大贡献。然而，这些卫星都是对局地空间环境进行探测，有些类似‘盲人摸象’。”王赤指出，还需要从宏观尺度，对太阳风和地球磁层的相互作用进行整体成像。

据介绍，“微笑卫星”计划将首次利用软X射线成像技术，结合卫星实地探测，首次对太阳风和地球磁层之间的相互作用进行全球成像。“微笑卫星”计划预期于2023年底发射，运行寿命3年。

寻找“保护伞”的漏洞

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”？对此，王赤打了个形象的比方。“之所以能进来，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。

令人印象深刻的是，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。

磁重联是偶然发生的，还是一直存在的？它在什么条件下会出现？“破洞”的位置和形态是相对固定，还是在不断变化？王赤认为，要回答这些问题，仅靠局地观测难以实现，因为磁重联很可能发生在进行局地观测的卫星视野之外。

事实上，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。还有理论认为，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。

在王赤看来，上述两种现象可能会同时存在。“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。”