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空间天气科学“亮剑科学前沿 服务国家需求”系列报道（十一） |
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我国空间天气事件能量流动研究取得系列成果 |
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描绘空间能量路线图 |
所有空间天气事件背后，都有能量的流动和驱动。
本报记者 张双虎
日地空间环境的灾害性天气会给航天、通讯、导航、电网、宇航员健康和空间安全等带来严重威胁和巨大损失。而所有空间天气事件背后都有能量的流动和驱动。因此，研究空间天气事件的能量流动，对理解近地环境和空间天气监测预报十分重要。
空间天气事件的背后推手
“所有空间天气事件背后，都有能量的流动和驱动。”中国极地研究中心研究员张北辰对《科学时报》记者说。
空间天气事件的源头是太阳，太阳剧烈活动释放电磁能和动能，以光辐射、高能粒子和空间等离子体云等形式先后到达地球附近，通过能量的传输、转换（如磁能转换为动能）、储存（如动能转换为磁能）和耗散，引起地球空间环境高动态、短时间尺度的条件变化。
在地球附近，来自太阳的电磁辐射和太阳风与地球磁场和地球大气层相互作用，形成了由磁层、电离层和中高层大气组成的相对稳定又紧密耦合的复杂系统，这个系统通常被称为地球空间。当太阳剧烈爆发时，增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云将对地球形成三轮攻击，打破地球空间相对稳定宁静的局面，即产生空间天气事件。
磁暴期间进入地球空间的能量一方面改变全球热层环流和中性大气成分，对地球电离层电子密度和总电子含量造成显著改变，进而影响电离层电波传播；另一方面，增强的极区极光粒子沉降和极区对流电场，形成极区电离层不均匀体结构和产生电离层闪烁，影响跨极区飞行器的通信导航。
中性大气加热改变大气密度和温度分布，会影响卫星轨道和寿命，同时，环电流粒子和粒子能量增强形成的高能粒子影响空间电子设备和人类的空间活动安全。
“从覆盖区域看，空间天气事件能量流动涉及太阳大气、行星际、地球磁层、电离层和中高层大气所组成的空间区域。”张北辰说。
“细致研究太阳的能量变化，特别是当太阳剧烈爆发时的能量变化及流动路线，有可能推断随后即将发生的空间天气事件。”中国极地研究中心研究员刘瑞源对《科学时报》记者说，“能量传输和转化过程与空间天气紧密相关，空间天气事件形式多样（如太阳质子事件、地磁暴、电离层暴、高能电子暴、极光亚暴、电离层突然骚扰、极盖吸收事件等），在时间顺序上和地域分布上有不同的变化特性，掌握其中最为本质的能量流动路线，有助于理解各种空间天气事件的产生与变化过程。”
地球的太空之窗
“极区是地球开向太空的窗户。”刘瑞源说，“极区高空大气是地球大气层和近地空间最活跃的部分之一，与中低层大气有较强的耦合作用，对全球变化有着灵敏的响应和显著的反馈。研究极区高空大气有助于整体理解太阳风—磁层—电离层—高层大气—中低层大气的相互作用和在全球变化中的作用。”
地球南北两极上空的地磁场近乎垂直进出，太阳风能量粒子进入地球磁层后，可以沿着磁力线沉降到南北极区电离层和中高层大气，产生一系列重要的地球物理现象，如极光、磁暴、磁层亚暴、电离层暴、极盖吸收、西向浪涌及对中层大气加热和电离等，这些空间天气过程在极区最先发生，最为强烈，并逐步向中低纬地区传播。
近年来，我国南北极考察的发展，开辟了极区高空大气物理研究新领域。我国在极区电离层、极光和粒子沉降、极区电流体系、极区等离子体对流、地磁脉动和空间等离子体波、极区空间环境的南北极对比、极区电离层—磁层数值模拟等方面取得了一系列原创性的研究成果，引起国际同行关注。
初步建立能量流动路线图
太阳风能量通过磁场重联和类黏滞作用进入磁层，分别以焦耳热和极光粒子沉降进入高纬电离层、增加内磁层环电流和粒子能量、加热磁尾等离子体片粒子，以等离子体热能、动能和磁能形式储存在磁尾，和以等离子体团的形式离开磁尾重新进入下游太阳风。
太阳风的能量进入地球磁层后，在磁层内部环电流区、极区高层大气和磁尾区释放能量。环电流区的能量一部分经过部分环电流—场向电流和电离层电流构成回路，在极区高层大气中耗散。其余能量通过电荷交换、库伦碰撞、波粒相互作用以及漂移损失等过程消耗。
在地球极区上空，能量通过焦耳热和极光粒子沉降耗散。磁尾能量一部分通过磁尾磁重联生成的等离子体团携带至远磁尾，一部分通过加热磁尾粒子耗散。
在日地能量传输研究方面，我国学者检验和修正了太阳风—磁层能量耦合函数，建立了太阳风—磁层—电离层耦合等效电流体系。特别是近年来随着观测数据的增加，对环电流能量收支平衡有了新的认识，构建了Dst指数（反映环电流引起的地磁场变化）与太阳风动压和AL指数（反映极区电离层电流引起的地磁场变化）之间的函数关系，改进了Dst指数的预报。
通过子午工程和极地考察能力建设，我国建立和完善了极区空间环境地面观测体系。我国南北极空间环境观测，特别是极区高频雷达和极光、地磁台链的建立，实现了由点到面的转变。
我国极地空间环境监测与研究在国际学术组织和重大国际合作研究计划中发挥重要作用。我国研究人员在南极研究科学委员会（SCAR）、欧洲非相干散射雷达（EISCAT）、国际超级双子极光雷达探测网（SuperDARN）等组织中担任重要职务，在国际探测和学术团体中发挥了重要作用。
“今年7月，在国家自然科学基金全国空间天气亮点研究方向研讨会上，相关专家建议发挥我国极区地面观测的优势，以能量流动及其空间环境响应为主线，开展空间事件的联合分析，初步建立空间天气事件能量流动路线图。”张北辰说，“但空间天气事件能量流动路线图的建立，仍然需要更多的观测数据和经验的、理论的模式，对来自太阳的能量在近地空间的收支平衡作出定量估计，以更好地预测空间环境变化。”
《科学时报》 (2011-12-05 A4 基金)
