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| 【視野】我國在太陽風(fēng)起源方面研究獲得進(jìn)展 |
| （時間:2011/10/18 10:09:17） |
過去幾年中，美國宇航局多次發(fā)出警告：2013年太陽會再次蘇醒，達(dá)到其活動高峰，可能會爆發(fā)更多強(qiáng)太陽風(fēng)暴。如果一切成真，人類又沒有得力的應(yīng)對措施，它會給我們帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。
太陽打“噴嚏”地球就“發(fā)燒”
1859年，英國天文學(xué)家卡林頓在觀察太陽黑子時，發(fā)現(xiàn)太陽表面出現(xiàn)了一道小小的閃光，它持續(xù)了幾分鐘。卡林頓認(rèn)為自己碰巧看到一顆大隕石落在太陽上。
后來，有了更精良的觀測儀器，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種太陽閃光和隕石毫不相干。有時，閃光過后地球上會一再出現(xiàn)奇怪的事情。一連幾天，極光都很強(qiáng)烈，甚至在溫帶地區(qū)都能看到。羅盤的指針也會不安分起來，發(fā)狂似的擺動。
隨著科技的進(jìn)步，極光的奧秘也漸為人知，原來，這美麗的景象是太陽風(fēng)與地球磁場合作表演的作品。另外彗星的兩條尾巴中的離子彗尾（另一條被稱為塵埃彗尾）也由太陽風(fēng)造成，當(dāng)彗星靠近太陽時，周圍的氣體會被太陽風(fēng)吹到后面，形成長長的離子彗尾。
太陽風(fēng)是來自太陽的一種稀薄而熾熱的等離子體物質(zhì)流，主要成分是質(zhì)子和電子。它的速度可達(dá)800公里/秒，是影響日地空間環(huán)境和空間天氣的主要原因之一。
“太陽風(fēng)和太陽爆發(fā)的概念與我們?nèi)粘Ｌ鞖庵械娘L(fēng)和風(fēng)暴有點(diǎn)類似。”山東大學(xué)威海分校空間科學(xué)與物理學(xué)院教授夏利東對《科學(xué)時報》記者說，“相對時有發(fā)生的太陽爆發(fā)而言,太陽風(fēng)在行星際空間中屬于常態(tài)存在，它有高速風(fēng)和低速風(fēng)之分，高速流和低速流相互作用可以形成所謂的‘共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)’，它和地球磁層相互作用也能產(chǎn)生磁暴等影響航天器和航天員安全的殺手電子。特別是在太陽活動周的下降和極小期，較大的爆發(fā)比較少，影響地磁活動的主要因素便是冕洞高速太陽風(fēng)及由此形成的‘共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)’。”
太陽的活動對地球至關(guān)重要。資料表明，太陽風(fēng)暴會引起地磁暴、電離層暴，并影響通訊，對地面的電力網(wǎng)、管道發(fā)送強(qiáng)大地磁感應(yīng)電流，影響輸電、輸油、輸氣管線系統(tǒng)的安全。一次太陽活動導(dǎo)致的輻射增強(qiáng)對人體來說很容易達(dá)到多次X線檢查的輻射量。它還會引起人體免疫力下降，情緒波動，甚至造成車禍增多，氣溫增高。
科學(xué)家形象地把太陽風(fēng)暴比喻為太陽打“噴嚏”。太陽一打“噴嚏”，地球往往會發(fā)“高燒”。
逐日觀風(fēng)
自人類觀測到太陽風(fēng)以來，太陽風(fēng)的形成機(jī)制就成為人類想揭開的自然秘密。
盡管太陽風(fēng)研究已經(jīng)有半個多世紀(jì)的歷史，但是太陽風(fēng)起源問題目前還沒有得到最后解決。主要原因是沒有衛(wèi)星能靠近太陽去觀測，所有對其起源的研究都是基于模型得來的假說。為了了解太陽風(fēng)起源和加速的本質(zhì)，美國計劃在不久的將來發(fā)射一顆太陽觀測衛(wèi)星，它能到達(dá)七八個太陽半徑的位置去實(shí)測太陽風(fēng)。
幾年前，在空間天氣預(yù)防方面，我國除使用部分國內(nèi)資料外，絕大部分要依靠國外資料。因此提高我國對日地空間天氣及其引發(fā)的磁暴、高能粒子等危害的預(yù)報能力迫在眉睫。
2003年1月，在國家自然科學(xué)基金委地學(xué)部“關(guān)于推動空間天氣研究座談會”上，中科院院士涂傳詒等人提出的“夸父計劃”科學(xué)思想和基本概念得到了很多單位和專家的支持。
隨后，在國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項目等的支持下，多個科研單位和高校在“夸父計劃”的科學(xué)背景、科學(xué)目標(biāo)以及為實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)要求配置的有效載荷等方面展開了預(yù)先研究。“夸父計劃”現(xiàn)已列入中國科學(xué)院空間科學(xué)探測先導(dǎo)性專項計劃。
“夸父計劃”的實(shí)施將使我國自主深空探測距離從“嫦娥計劃”的38萬公里推進(jìn)到150萬公里，將顯著提高中國在國際航天領(lǐng)域的地位和形象，從根本上改變我國空間天氣業(yè)務(wù)主要依賴國外數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，使我國成為國際上最重要的空間天氣數(shù)據(jù)源之一。
“太陽風(fēng)源區(qū)遍布太陽表面，其起源過程中可能發(fā)生多個關(guān)鍵物理過程，這些物理過程控制著日冕的加熱和太陽風(fēng)的加速。因此，研究太陽風(fēng)起源的物理過程是空間物理學(xué)的關(guān)鍵課題之一。但限于觀測手段，很多理論都沒有確認(rèn)。”夏利東說，“對太陽風(fēng)起源、源區(qū)的瞬態(tài)活動進(jìn)行多溫度的高時空和譜分辨率的診斷也是‘夸父計劃’的科學(xué)目標(biāo)之一。”
風(fēng)生何處
過去十年中，我國學(xué)者對太陽風(fēng)在幾種源區(qū)，包括極區(qū)和赤道冕洞、寧靜區(qū)、冕流和活動區(qū)邊緣的起源特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了在國際上有影響力的研究成果。
空間物理學(xué)界曾普遍認(rèn)為，太陽風(fēng)來自太陽表面日冕輻射較弱的開磁場區(qū)域，這種區(qū)域被稱為冕洞。我國學(xué)者利用衛(wèi)星觀測資料及日冕三維磁場構(gòu)建技術(shù)，獲得了冕洞源區(qū)的物理特性，發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)初始流動起源于色球網(wǎng)絡(luò)組織單極磁場凝聚區(qū)，并且形成具有約10公里/秒的初始速度。
2005年，以涂傳詒為首的中德科學(xué)家小組在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表研究論文，首次重構(gòu)極區(qū)冕洞開放磁場的三維結(jié)構(gòu)，確定太陽風(fēng)初始外流的形成高度，由此提出了三維太陽風(fēng)起源新圖像：太陽風(fēng)起源所需的物質(zhì)和能量由周圍的中尺度閉合磁圈被對流攜帶與位于色球網(wǎng)絡(luò)的開放漏斗狀磁結(jié)構(gòu)發(fā)生重聯(lián)而供應(yīng)。
隨后，我國學(xué)者還進(jìn)一步分析了過渡區(qū)以上低日冕的多普勒藍(lán)移隨溫度的變化趨勢，找到了太陽風(fēng)外流初始加熱、加速的證據(jù)，與太陽風(fēng)沿多個磁漏斗外流并在日冕里匯合的圖像相吻合。此外，創(chuàng)建了物質(zhì)和能量由流管中部供應(yīng)的太陽風(fēng)起源新模型，重現(xiàn)觀測得到外流加熱和回流冷卻。
“對太陽風(fēng)起源的新構(gòu)想得到學(xué)術(shù)界的重視。國外有學(xué)者評價為‘具有里程碑意義的成果’，使人們對太陽風(fēng)源區(qū)有了更好的理解。”北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授何建森說。
《空間研究進(jìn)展》雜志指出，如果這一概念正確，它將挑戰(zhàn)舊的概念，從根本上改變我們對于太陽風(fēng)形成的觀點(diǎn)。
此外，過去10年來，我國學(xué)者在冕洞太陽風(fēng)源區(qū)的瞬態(tài)現(xiàn)象研究中；在寧靜區(qū)的太陽風(fēng)起源特征研究方面；在作為低速太陽風(fēng)源區(qū)的冕流區(qū)研究方面都取得了不俗的成績。在國際高水平雜志發(fā)表論文近40篇，其中，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表研究論文1篇，論文總的SCI引用近500次，先后獲陳嘉庚地球科學(xué)獎等多項獎勵。
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