日－地空間的科學(xué)研究

　　日－地空間物理是隨著太空時(shí)代的到來(lái)而迅速發(fā)展起來(lái)的新型學(xué)科。且隨著全球變化大科學(xué)目標(biāo)的提出，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越強(qiáng)烈地意識(shí)到日－地整體行為、大氣環(huán)境與人類生存條件有著極為密切的關(guān)系。從國(guó)際地球物理年開始，日－地空間物理、氣物理與化學(xué)研究已逐漸成為北極科學(xué)考察活動(dòng)中投資最多、規(guī)模最大的學(xué)科之一。其中主要項(xiàng)日有極光、哨聲、電離層、宇宙線、甚低頻、溫室氣體、臭氧耗損，以及北極大氣環(huán)境對(duì)全球氣候變化的影響。

　　極光作為一種天象，自古以來(lái)為人注目。對(duì)極光及其他空間物理現(xiàn)象的研究取得的重大進(jìn)展，則是最近二三十年的事�？茖W(xué)家已了解到地球磁場(chǎng)并不對(duì)稱。在太陽(yáng)風(fēng)的吹動(dòng)下，它已經(jīng)變成某種“流線型”。也即朝向太陽(yáng)一面的磁力線被大大壓縮，相反方向卻拉出一條長(zhǎng)長(zhǎng)的形似彗尾的地球磁尾，磁尾至少有1000個(gè)地球半徑長(zhǎng)。由于與日地空間行星際磁場(chǎng)的耦合作用，變形的地球磁場(chǎng)的兩極外各形成一個(gè)狹窄的、磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱的極尖區(qū)。因?yàn)榈入x子體具有“凍結(jié)”磁力線特性，所以太陽(yáng)風(fēng)粒子不能穿越地球磁場(chǎng)，而只能通過(guò)極尖區(qū)進(jìn)入地球磁尾。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生劇烈變化時(shí)（如耀斑爆發(fā)），常引起地球磁層亞暴。于是這些帶電粒子被加速，并沿磁力線運(yùn)動(dòng)，從極區(qū)向地球注入。這些帶電粒子撞擊高層大氣中的氣體分子和原子，使后者被激發(fā)——退激而發(fā)光。不同的分子、原子發(fā)出不同顏色的光，混合在一起，就形成多姿多彩的極光。事實(shí)上，人們看到的極光，主要是帶電粒子流中的電子造成的。且極光的顏色和強(qiáng)度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量�？茖W(xué)家能從這個(gè)天然大電視中得到磁層以及日－地空間電磁活動(dòng)的大量信息。如通過(guò)極光譜分析可以了解沉降粒子束的來(lái)源、粒子種類、能量大小、地球磁尾的結(jié)構(gòu)、地球磁場(chǎng)與行星磁場(chǎng)的相互作用，以及太陽(yáng)擾動(dòng)對(duì)地球磁場(chǎng)的影響方式與程度等。

　　根據(jù)斯托馬理論，地球磁場(chǎng)在極區(qū)對(duì)宇宙線粒子的截止剛度很小，甚至為零。所以進(jìn)入極區(qū)的宇宙線通量大大高于其他地區(qū)�？茖W(xué)家興奮地在這個(gè)理想的天然實(shí)驗(yàn)室中研究外層空間的使者：太陽(yáng)宇宙線與銀河宇宙線。銀河宇宙線實(shí)際上是接近光速運(yùn)動(dòng)的亞原子粒子流，因而具有極高的能量。這些能量甚至比人類目前最大的加速器所能得到的能量還要高幾十億倍。所以，當(dāng)這些高能粒子與地球亞原子粒子發(fā)生猛烈碰撞時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一系列人類尚無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的原子物理現(xiàn)象，如產(chǎn)生新的、質(zhì)量更大的亞原子粒子。而這正是物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的。太陽(yáng)宇宙線的能量相對(duì)較低，但由于濃度大，所以對(duì)于航天器和宇航員的生命構(gòu)成威脅。太陽(yáng)宇宙線可對(duì)空間飛行的航天器進(jìn)行電離，產(chǎn)生一個(gè)額外電流，從而對(duì)航天器上的電子器件發(fā)出虛假指令，以致造成嚴(yán)重后果。目前至少有一顆人造衛(wèi)星已經(jīng)毀于這種虛假指令。此外，太陽(yáng)宇宙線也可以強(qiáng)烈影響地球的無(wú)線電通訊。

　　電離層亦屬北極研究日一地空間的一個(gè)重要課題，最明顯的理由就是電離層的擾動(dòng)可能引起無(wú)線電通訊中斷及地球磁場(chǎng)的紊亂。由于電離層本身是太陽(yáng)高能輻射宇宙線在地球大氣中電離造成的，所以太陽(yáng)活動(dòng)的變化如太陽(yáng)x射線暴、太陽(yáng)宇宙線、銀河宇宙線的福布什下降等，都會(huì)影響電離層性狀的穩(wěn)定。目前，大氣物理學(xué)家正以電離層垂測(cè)、探空火箭等各種手段研究北極電離層。促使他們?cè)诒睒O（也包括南極）工作的原因有兩個(gè)：第一，人類對(duì)極區(qū)電離層所知甚少，對(duì)中、低緯度電離層則相對(duì)了解得比較清楚；第二，極區(qū)的地球磁場(chǎng)具有較為特殊的結(jié)構(gòu)，在那里研究電離層可以得到許多其他地區(qū)無(wú)法獲得的信息。北極的甚低頻研究是大氣物理主要研究項(xiàng)目之一�？赏ㄟ^(guò)接收全球?qū)Ш较到y(tǒng)臺(tái)站網(wǎng)的甚低頻信號(hào)研究其相位變化規(guī)律，了解極區(qū)粒子沉降對(duì)低電離層的影響及地球磁層中波一粒的相互作用。

　　溫室氣體、臭氧耗損及北極大氣環(huán)境對(duì)全球氣候變化的影響是當(dāng)今最引人注意的題目。目前考察與研究的內(nèi)容包括北極地區(qū)溫室氣體的來(lái)源、集匯分析與監(jiān)測(cè)；北極對(duì)全球主要溫室氣體循環(huán)的調(diào)制作用；臭氧及相關(guān)氣體的時(shí)空分布與變化特征；北極區(qū)太陽(yáng)紫外輻射變化對(duì)臭氧變化的響應(yīng)；北極煙霧的成分特征及人類活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境影響的評(píng)估；北極天氣氣候特征及其對(duì)全球氣候變化的影響等。

［上一頁(yè)］　［下一頁(yè)］