空間物理學是什麼
空間物理學是利用空間飛行器直接探測和研究太空中的物理現象和過程的學科，它是人類進入太空時代之後的產物，是一門年輕的學科。1957年10月4日，前蘇聯發射了人類第一顆人造衛星“斯普特尼克1號”（Sputnik 1），標誌著人類進入太空時代，美國則於1958年1月31日發射了“探險者1號”（Explorer 1），雖然落後於前蘇聯，但是探險者1號有一個具有劃時代意義的發現——我們地球附近的空間區域中彙集了大量的帶電粒子（圖1），這個區域叫做範艾倫輻射帶，為了紀念它的發現者範艾倫（Van Allen，1914-2004）。輻射帶的發現標誌著空間物理學的開啟，同年美國成立了國家航天局（NASA）。
圖1 範艾倫輻射帶
空間物理學的研究範圍是空間飛行器能夠到達的太空區域，目前人類飛的最遠的探測器是1977年發射的“旅行者1號”（Voyager 1）和“旅行者2號”（Voyager 2），它們在太空中飛行了40多年，已經到達了太陽系邊緣，其中旅行者1號和旅行者2號分別於2012年8月25日和2018年11月5日飛出了日球層頂，而隨著人類太空探索技術的進步，空間物理學的研究範圍將會朝著更廣闊的宇宙空間擴充套件。
空間物理學的研究意義深遠，它不僅能幫助人們預警和預報災難性空間天氣（如太陽爆發引起的地球磁暴），保障太空探索的安全，更是為了探索宇宙空間，實現人類對真理和本質的不懈追求。
太陽爆發
我們的太陽並不是平靜的，太陽表面幾乎每天都在發生劇烈的太陽爆發事件，像地球上的地震、火山噴發一樣，太陽爆發也是一種短時間內釋放大量能量的物理過程。
太陽爆發主要分為兩大類：太陽耀斑和日冕物質拋射。耀斑（圖2）是指太陽表面發生的區域性突然增亮，從射電到硬X射線波段的電磁輻射都會增強，持續時間從幾十秒到幾個小時。在大耀斑期間，紫外線和X射線可增強100倍，一次大耀斑釋放的能量高達10^25焦耳，相當於1千億個廣島原子彈，在太陽活動高年，每天平均有數個耀斑發生。日冕物質拋射是指太陽向行星際空間拋射出大量高速運動的團狀物質（圖3），一次大的日冕物質拋射可丟擲10億噸物質，速度最高可達2000km/s，丟擲的這團物質在太陽附近的尺度經常比行星還大，太陽活動高年每天平均也有數個日冕物質拋射發生。
圖2 不同波段下觀測到太陽耀斑
圖3 日冕物質拋射與行星和冥王星的大小比較
耀斑目前被認為是由太陽大氣區域性區域中的磁重聯過程引起的爆發現象。在磁重聯過程中（圖4），兩條不同方向的磁力線互相靠近，磁力線會斷裂並重新連線，磁場被中和，而原先儲存在磁場中的能量被突然釋放，加速粒子、加熱等離子體。日冕物質拋射一般被認為是日冕物質被加熱和加速，當其速度超過太陽表面的逃逸速度時，這部分物質被拋射到行星際空間。耀斑和日冕物質拋射在觀測上存在一定的相關性，它們可能是同一個物理過程的不同表現，但是目前關於耀斑和日冕物質拋射的關係還沒有定論。
圖4 磁重聯過程示意圖
太陽爆發會把大量的能量、物質、高能粒子以及電磁輻射注入到行星際空間，當它們傳播到地球時，會引起地球空間環境的劇烈擾動，引發災害性空間天氣，如磁暴和電離層暴，對人類的航空航天活動以及日常生活產生影響。
地球磁暴
太陽爆發產生的高速等離子體到達地球時，會壓縮地球的磁層，同時大量帶電粒子注入地球磁層，這些帶電粒子會圍繞著地球運動，造成地球環電流的增強，引發全球性的地磁擾動，即地球磁暴。磁暴期間（圖5），地面地磁臺站會檢測到地磁場水平分量會在1到幾個小時內急劇下降，在隨後的幾天內恢復，我們通常用磁場下降的幅度——Dst指數（磁暴環電流指數，單位nT）來衡量一次磁暴的強弱。如1859年卡靈頓大磁暴，Dst=-1700nT，釋放的能量約為5×10^16焦耳，相當於800個廣島原子彈的能量，正所謂“太陽吼一吼，地球抖三抖”。
圖5 1859年磁暴發展過程中地磁變化記錄，摘自Tsurutani et al. (2003)
太陽爆發帶來的影響絕不止這些。磁暴期間，空間高能帶電粒子的通量也會急劇增大，高能電子會穿過衛星的蒙皮，沉降在衛星的絕緣材料上，同時產生大量次級電子，造成衛星內部電荷積累從而引發放電，擊穿或損壞衛星電子元器件，因此這些電子被叫做“殺手電子”。2010年5月11日，“殺手電子暴”導致美國通訊公司AT&T的一顆通訊衛星報廢，變成了一顆“殭屍衛星”，直接經濟損失達到5億美元。
磁暴期間，地磁場的變化還會產生感應電場，在長距離輸電線路上產生很高的電勢差，損壞大型變壓器。1989年3月加拿大魁北克大停電，停電時長9小時，波及600萬人，造成數億元的經濟損失，罪魁禍首就是磁暴。
太陽爆發產生的高能帶電粒子和電磁輻射還會引起電離層擾動，影響導航訊號在電離層中的傳播，干擾導航系統甚至使其失靈。此外，這些高能粒子輻射還會對人類空間活動產生影響，因為高能粒子可以直接穿透宇航服，進入細胞破壞DNA分子結構，誘發癌症，嚴重可致人死亡。由此可見，隨著科技的發展，太陽爆發對人類的影響已經滲透到了各方各面，因此如何預警和預測這些災害性空間天氣一直是空間物理學的熱門問題之一。
極光
事物都有兩面性，太陽爆發給人類造成如此多不便的同時，也帶來了一件美麗的禮物——極光。極光是一種發生在高緯地區大氣發光現象，一般以綠色和紅色為主（圖6）。早在公元前的亞述文明和巴比倫文明就有觀測記錄，中國古書上也曾多次記載過疑似極光的天象，《山海經·大荒北經》中記載了一種叫燭龍的神獸，“西北海之外，赤水之北，有章尾山。有神，人面蛇身而赤，直目正乘。其瞑乃晦，其視乃明。不食，不寢，不息，風雨是謁。是燭九陰，是謂燭龍……”，很可能就是古人看到了極光之後想象出來的。
圖6 美國阿拉斯加的極光 攝影 / 宗秋剛
極光其實是高能粒子與高層大氣的原子分子作用引起的大氣發光現象。磁暴期間，高能帶電粒子沿著地球磁場運動到極區，沉降到大氣中，與大氣層中的原子和分子碰撞使其激發，這些原子和分子回到基態時輻射出光子，產生了不同顏色的極光（圖7）。人眼能看到的可見光波段的極光是由電子產生的: 在地面200km以上，氧原子被電子激發後發出紅光；在100-200km，氮原子被激發產生藍光，氧原子被次級電子激發產生綠光；在100km以下，氮分子被激發產生紫紅色的光 。
圖7 不同顏色的極光產生的機制
極光產生的區域通常位於地磁緯度65°-75°之間，是一個以地球磁軸為中心的橢圓形帶狀區域，叫做極光橢圓帶（圖8）。因此，一般只有在磁緯很高的地區才能看見極光，如加拿大北部、阿拉斯加、冰島、格陵蘭島、挪威、瑞典、芬蘭和西伯利亞。由於地球磁軸和自轉軸有一個11.5°的夾角，且向北美偏移，中國現在的地磁緯度低，即使漠河的地磁緯度也只有43.9°，因此中國境內通常看不到極光，只有在非常大的磁暴期間（發生機率為數十年一次）才會看到極光。
圖8 極光橢圓帶示意圖
高能粒子
行星際空間中分佈著很多高能帶電粒子。有些高能帶電粒子是在太陽和行星際中被加速的，叫做太陽高能粒子(圖9)，比如太陽爆發就會產生大量太陽高能粒子；有些則來自太陽系之外甚至銀河系之外，叫做宇宙射線。這些高能帶電粒子是空間物理學的重要研究物件之一，研究它們可以幫助我們理解在宇宙空間中的高能粒子的起源、加速和傳播過程，也可以幫助我們預警和預報災害性空間天氣效應。
圖9 太陽高能粒子觀測，摘自Wang et al. (2011, 2016)
高能帶電粒子的加速機制有很多，如磁重聯中的直流電場加速，磁流體激波中的漂移加速和擴散加速，以及波粒相互作用導致的隨機加速等等。目前主流觀點認為，宇宙射線是由超新星爆發產生的激波加速而形成的（圖10），而耀斑和日冕物質拋射是太陽高能粒子的重要加速源。
圖10 超新星爆發形成的蟹狀星雲
高能粒子一般透過衛星的實地觀測來研究，高能粒子的通量、能量和角度蘊含了這些粒子的加速和傳播的重要資訊，研究這些物理量隨時間和空間的演化可以揭示這些高能粒子加速和傳播機制。
目前在軌的空間科學衛星共有27顆，這27顆衛星構成了太陽物理學系統天文臺（HSO，圖11）。近幾年發射的兩顆衛星：“帕克”太陽探測器(Parker Solar Probe和太陽軌道探測器(Solar Orbiter)，將在靠近太陽處觀測太陽、太陽風和高能粒子，期待它們能夠帶給我們更多的驚喜。
圖11 太陽物理學系統天文臺
結語
自人類有文明以來，我們從未停止過對頭頂這片深邃而神秘的天空進行探索，從“九天之際，安放安屬？”的詰問，到“這是個人邁出的一小步，但卻是人類邁出的一大步”的豪邁，人類已經開啟了駛向星辰大海的遠征，並將向著更廣闊的宇宙空間開疆拓土。最後引用宇航之父齊奧爾科夫斯基的話來結束這篇文章——地球是我們人類的搖籃，但是人類不能永遠生活在搖籃裡。
來源：中國國家天文
