日－地空間的科學(xué)研究

　　日－地空間物理是隨著太空時代的到來而迅速發(fā)展起來的新型學(xué)科。且隨著全球變化大科學(xué)目標的提出，科學(xué)家們越來越強烈地意識到日－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)考察活動中投資最多、規(guī)模最大的學(xué)科之一。其中主要項日有極光、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)境對全球氣候變化的影響。

　　極光作為一種天象，自古以來為人注目。對極光及其他空間物理現(xiàn)象的研究取得的重大進展，則是最近二三十年的事�？茖W(xué)家已了解到地球磁場并不對稱。在太陽風(fēng)的吹動下，它已經(jīng)變成某種“流線型”。也即朝向太陽一面的磁力線被大大壓縮，相反方向卻拉出一條長長的形似彗尾的地球磁尾，磁尾至少有1000個地球半徑長。由于與日地空間行星際磁場的耦合作用，變形的地球磁場的兩極外各形成一個狹窄的、磁場強度很弱的極尖區(qū)。因為等離子體具有“凍結(jié)”磁力線特性，所以太陽風(fēng)粒子不能穿越地球磁場，而只能通過極尖區(qū)進入地球磁尾。當太陽活動發(fā)生劇烈變化時（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，并沿磁力線運動，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。且極光的顏色和強度也取決于沉降粒子的能量和數(shù)量�？茖W(xué)家能從這個天然大電視中得到磁層以及日－地空間電磁活動的大量信息。如通過極光譜分析可以了解沉降粒子束的來源、粒子種類、能量大小、地球磁尾的結(jié)構(gòu)、地球磁場與行星磁場的相互作用，以及太陽擾動對地球磁場的影響方式與程度等。

　　根據(jù)斯托馬理論，地球磁場在極區(qū)對宇宙線粒子的截止剛度很小，甚至為零。所以進入極區(qū)的宇宙線通量大大高于其他地區(qū)。科學(xué)家興奮地在這個理想的天然實驗室中研究外層空間的使者：太陽宇宙線與銀河宇宙線。銀河宇宙線實際上是接近光速運動的亞原子粒子流，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，當這些高能粒子與地球亞原子粒子發(fā)生猛烈碰撞時，就會產(chǎn)生一系列人類尚無法在實驗室實現(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)家夢寐以求的。太陽宇宙線的能量相對較低，但由于濃度大，所以對于航天器和宇航員的生命構(gòu)成威脅。太陽宇宙線可對空間飛行的航天器進行電離，產(chǎn)生一個額外電流，從而對航天器上的電子器件發(fā)出虛假指令，以致造成嚴重后果。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，太陽宇宙線也可以強烈影響地球的無線電通訊。

　　電離層亦屬北極研究日一地空間的一個重要課題，最明顯的理由就是電離層的擾動可能引起無線電通訊中斷及地球磁場的紊亂。由于電離層本身是太陽高能輻射宇宙線在地球大氣中電離造成的，所以太陽活動的變化如太陽x射線暴、太陽宇宙線、銀河宇宙線的福布什下降等，都會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、探空火箭等各種手段研究北極電離層。促使他們在北極（也包括南極）工作的原因有兩個：第一，人類對極區(qū)電離層所知甚少，對中、低緯度電離層則相對了解得比較清楚；第二，極區(qū)的地球磁場具有較為特殊的結(jié)構(gòu)，在那里研究電離層可以得到許多其他地區(qū)無法獲得的信息。北極的甚低頻研究是大氣物理主要研究項目之一�？赏ㄟ^接收全球?qū)Ш较到y(tǒng)臺站網(wǎng)的甚低頻信號研究其相位變化規(guī)律，了解極區(qū)粒子沉降對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)境對全球氣候變化的影響是當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)溫室氣體的來源、集匯分析與監(jiān)測；北極對全球主要溫室氣體循環(huán)的調(diào)制作用；臭氧及相關(guān)氣體的時空分布與變化特征；北極區(qū)太陽紫外輻射變化對臭氧變化的響應(yīng)；北極煙霧的成分特征及人類活動對大氣環(huán)境影響的評估；北極天氣氣候特征及其對全球氣候變化的影響等。

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