研究高空大氣物理的極好場所
高空大氣物理學(xué)的研究對(duì)象，是從地球表面以上的30公里高空一直到行星際空間所發(fā)生的地球物理現(xiàn)象和物理過程。高空大氣物理學(xué)是天體物理學(xué)與地球物理學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科。它的研究內(nèi)容很廣，主要包括高空大氣結(jié)構(gòu)、電離層和日-地空間物理三大部分。
在南極地區(qū)，具有哪些特殊的條件極有利于研究高空大氣物理學(xué)呢？
我們知道，地球像一塊大磁鐵一樣，它有自己的磁場。地球的磁場向宇宙伸展，形成了一個(gè)稱為磁性層的區(qū)域。磁性層向著太陽的一面，地磁場的磁力線閉合，宛如一個(gè)球形大盾，把地球保護(hù)起來；磁性層背著太陽的一面，被太陽風(fēng)把磁力線拉開，呈尾狀伸展。粗看起來，地磁場與偶極子頗為相似，宛如一個(gè)條形磁鐵位于地球中心附近，在地球磁場的南極有南極歧點(diǎn)。
什么叫太陽風(fēng)？簡單地說，就是太陽粒子輻射流，是太陽輻射的組成部分。在離地球大約64000公里以外，也就是10倍于地球半徑的地方，有一股超音速帶電粒子流，又稱"等粒子"流，它以每秒數(shù)百公里的速度飛向地球，不斷沖擊著地球外圍環(huán)境，這就是太陽風(fēng)。顧名思義，太陽風(fēng)可以理解為太陽形成的"風(fēng)"，只不過這個(gè)"風(fēng)"不是"吹"的大氣，而是帶電粒子流，這個(gè)"風(fēng)速"達(dá)到超音速。
向著太陽一面的磁性層保護(hù)著地球，使其免受太陽風(fēng)的正面襲擊，同時(shí)還改變太陽風(fēng)的方向，使之繞過地球。然而，在地球磁場的南極歧點(diǎn)上，太陽風(fēng)可以侵入。當(dāng)太陽風(fēng)侵入南極歧點(diǎn)區(qū)時(shí)，它能使帶電的太陽粒子輻射流近于垂直地向電離層以至中低層大氣輸送，使各層區(qū)產(chǎn)生能量、動(dòng)量和質(zhì)量耦合區(qū)域，形成許多重要物理現(xiàn)象，如極光、哨聲、粒子沉降和地磁脈動(dòng)等。這是在非極地區(qū)不能看到或極少見到的。
這里只簡單介紹一下哨聲和極光。
一般的無線電噪聲可以分為兩大類，即人為的和自然界的噪聲。自然噪聲來自地球周圍甚至于行星際空間。哨聲是自然噪聲中頻率甚低的一種，是一種富有音樂性的諧音，其頻率隨時(shí)間延長而緩慢下降，同時(shí)，頻率下降的速度隨時(shí)間延長而減慢。仔細(xì)收聽哨聲的記錄訊號(hào)，在一兩秒鐘內(nèi)可以經(jīng)過八重音階，宛如美妙的太空音樂！
地球上的閃電是產(chǎn)生哨聲的重要能源之一。假如在地球北半球一點(diǎn)發(fā)生閃電脈沖，它將沿磁力線方向到達(dá)地球的另一半球--南半球，在南半球收到的閃電脈沖的低頻部分，叫短哨；短哨能沿地球磁力線再返回北半球，在北半球收到的回聲叫長哨。由于極地區(qū)人為噪聲極小，才易收到短哨和長哨。
鼻哨是一種最有意義的哨聲。因?yàn)樵谒念l率隨時(shí)間變化的曲線上往往出現(xiàn)拐曲部分，其拐曲形狀如鼻，故曰鼻哨。鼻哨只在高緯地區(qū)（尤其是極區(qū)）出現(xiàn)，從它的頻率-時(shí)間曲線的拐點(diǎn)上可給出地磁場磁力線頂點(diǎn)的磁場強(qiáng)度。若在極地區(qū)不同緯度上進(jìn)行同時(shí)觀測(cè)，就能定量地給出高空地磁場變化的數(shù)據(jù)，特別是在磁暴期間的觀測(cè)，將對(duì)磁暴的形態(tài)及其形成機(jī)理提供有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
除了鼻哨的特殊作用外，哨聲在研究外層大氣中還有其它的重要作用。利用哨聲資料，可以推斷電離層中的電子濃度及其隨高度的分布狀況，這對(duì)改進(jìn)遠(yuǎn)距離通訊很有意義。因?yàn)椋陔婋x層中，電子濃度在不同高度上分布的情況，強(qiáng)烈地影響著這種遠(yuǎn)距通訊的質(zhì)量。
此外，哨聲的觀測(cè)研究有助于判定磁場緯度的變化。地球的地理緯度是固定 不變的，但地球磁場的緯度是不斷變化的。經(jīng)常測(cè)定磁場緯度的變化，對(duì)于研究地球磁場極為重要。從哨聲頻率的上限可以推算出地磁緯度，哨聲頻率上限越高時(shí)，地磁緯度越低。哨聲頻率上限約為1000千赫時(shí)，地磁緯度近于0度；頻率為0.1千赫時(shí)，地磁緯度近于80度。
由此可見，進(jìn)行哨聲的觀測(cè)研究，對(duì)于測(cè)定地磁緯度，改進(jìn)無線電遠(yuǎn)距離通訊，確定地磁場磁力線頂點(diǎn)的強(qiáng)度等都具有重要意義。南極地區(qū)又為哨聲觀測(cè)研究提供了極好的場所。
極光，是發(fā)生在極地上空奇特而美麗的自然現(xiàn)象。
從科學(xué)意義上講，極光是從太陽表面發(fā)射出來的帶電粒子流，從外層空間疾馳而來，猛烈地沖擊著地球南極地區(qū)高空稀薄的大氣層，將大氣分子激發(fā)到高能級(jí)，發(fā)出了耀眼的可見光。打個(gè)比方，如果把地球空間看做一個(gè)電視顯象管，地球磁性層尾部的中央比作電子槍，南極地區(qū)高層大氣視作熒光屏，那么，極光就是這個(gè)熒光屏上的圖像。
極光出現(xiàn)的強(qiáng)弱取決于太陽強(qiáng)度以及太陽風(fēng)離開太陽所攜帶的磁場的強(qiáng)度和方向。極光具有巨大的能量，可達(dá)到幾千電子伏特。歷史有記載的極光資料中，最驚人的一次極光出現(xiàn)在1859年，其感生電流強(qiáng)大到美國的電報(bào)員不用電池便將電報(bào)從波士頓發(fā)到了波蘭。有時(shí)，一次極光的能量能超過北美的總的發(fā)電能力。顧名思義，極光應(yīng)該出現(xiàn)在極區(qū)，自然，南極地區(qū)是觀測(cè)和研究極光的好地方。南極的日本昭和基地和中國中山站就是調(diào)查極光活動(dòng)的有利位置。
一般說來，極光易在67度的地磁緯度和110公里高度附近出現(xiàn)。有時(shí)，當(dāng)太陽風(fēng)陣風(fēng)風(fēng)速超過其正常風(fēng)速（每秒數(shù)百公里）時(shí)，電離層中的電流增強(qiáng)，影響地磁活動(dòng)。在這種情況下，地磁磁性層被壓縮，極光區(qū)也被推向地磁緯度較低的地方，當(dāng)極光在地磁緯度的61度附近出現(xiàn)時(shí)，南極哈利站和賽普爾站也能觀測(cè)到。
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極光
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研究極光活動(dòng)的目的，主要在于通過它來研究等離子體層中某些物理現(xiàn)象及其對(duì)通訊和衛(wèi)星軌道的影響。這是因?yàn)椋?dāng)帶電粒子落入極光區(qū)時(shí)，極光區(qū)的帶電粒子可進(jìn)一步產(chǎn)生出一個(gè)電子濃度大大增強(qiáng)的薄層，引起地面發(fā)射機(jī)發(fā)出的高頻無線電波發(fā)生異常。此外，極光區(qū)的粒子還加熱大氣的最高層，引起那里的局地大風(fēng)。極光還能使熱層（110公里～300公里）大氣明顯變暖，電子濃度增大，影響飛行高度低的極軌衛(wèi)星軌道。
在南極地區(qū)，除了研究哨聲和極光具有極為有利的條件外，觀測(cè)和研究地磁場的變化也是非常有利的。
例如，在南半球，地磁極和南極點(diǎn)之間的距離是北半球地磁極與北極點(diǎn)之間距離的兩倍。在南極地區(qū)，同一地理緯度但經(jīng)度不同時(shí)，其地磁緯度不同。許多南極地區(qū)考察站位于沿岸差不多相同的地理緯度上，這就為研究一系列地磁緯度上的高層大氣物理提供了獨(dú)一無二的機(jī)會(huì)。特別是在西經(jīng)零度到90度之間，更是研究與等離子體層頂相聯(lián)系的電離層現(xiàn)象的天然實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)椋挥性谀蠘O這一區(qū)域才能在這么高的地理緯度上研究與等離子體層頂有關(guān)的電離層現(xiàn)象。
又如，在南極圈內(nèi)漫長的冬夜期間，沒有因太陽輻射而造成的直接電離現(xiàn)象，這就為研究與地磁場相聯(lián)系的電離層特征提供了許多機(jī)會(huì)。
綜上可見，在南極地區(qū)是研究高空大氣物理的極好場所，其中，南極圈內(nèi)的大陸更為這些研究創(chuàng)造了有利條件。
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