我國太陽風起源研究獲系列進展

極區冕洞的太陽風初始外流在漏斗狀開放磁結構的高度形成

　　過去幾年中，美國宇航局多次發出警告：2013年太陽會再次蘇醒，達到其活動高峰，可能會爆發更多強太陽風暴。如果一切成真，人類又沒有得力的應對措施，它會給我們帶來巨大經濟損失。

　　1859年，英國天文學家卡林頓在觀察太陽黑子時，發現太陽表面出現了一道小小的閃光，它持續了幾分鐘。卡林頓認為自己碰巧看到一顆大隕石落在太陽上。

　　后來，有了更精良的觀測儀器，科學家發現這種太陽閃光和隕石毫不相干。有時，閃光過后地球上會一再出現奇怪的事情。一連幾天，極光都很強烈，甚至在溫帶地區都能看到。羅盤的指針也會不安分起來，發狂似的擺動。

　　隨著科技的進步，極光的奧秘也漸為人知，原來，這美麗的景象是太陽風與地球磁場合作表演的作品。另外彗星的兩條尾巴中的離子彗尾（另一條被稱為塵埃彗尾）也由太陽風造成，當彗星靠近太陽時，周圍的氣體會被太陽風吹到后面，形成長長的離子彗尾。

　　太陽風是來自太陽的一種稀薄而熾熱的等離子體物質流，主要成分是質子和電子。它的速度可達800公里/秒，是影響日地空間環境和空間天氣的主要原因之一。

　　“太陽風和太陽爆發的概念與我們日常天氣中的風和風暴有點類似。”山東大學威海分校空間科學與物理學院教授夏利東對《科學時報》記者說，“相對時有發生的太陽爆發而言,太陽風在行星際空間中屬于常態存在，它有高速風和低速風之分，高速流和低速流相互作用可以形成所謂的‘共轉相互作用區’，它和地球磁層相互作用也能產生磁暴等影響航天器和航天員安全的殺手電子。特別是在太陽活動周的下降和極小期，較大的爆發比較少，影響地磁活動的主要因素便是冕洞高速太陽風及由此形成的‘共轉相互作用區’。”

　　太陽的活動對地球至關重要。資料表明，太陽風暴會引起地磁暴、電離層暴，并影響通訊，對地面的電力網、管道發送強大地磁感應電流，影響輸電、輸油、輸氣管線系統的安全。一次太陽活動導致的輻射增強對人體來說很容易達到多次X線檢查的輻射量。它還會引起人體免疫力下降，情緒波動，甚至造成車禍增多，氣溫增高。

　　科學家形象地把太陽風暴比喻為太陽打“噴嚏”。太陽一打“噴嚏”，地球往往會發“高燒”。

　　自人類觀測到太陽風以來，太陽風的形成機制就成為人類想揭開的自然秘密。

　　盡管太陽風研究已經有半個多世紀的歷史，但是太陽風起源問題目前還沒有得到最后解決。主要原因是沒有衛星能靠近太陽去觀測，所有對其起源的研究都是基于模型得來的假說。為了了解太陽風起源和加速的本質，美國計劃在不久的將來發射一顆太陽觀測衛星，它能到達七八個太陽半徑的位置去實測太陽風。

　　幾年前，在空間天氣預防方面，我國除使用部分國內資料外，絕大部分要依靠國外資料。因此提高我國對日地空間天氣及其引發的磁暴、高能粒子等危害的預報能力迫在眉睫。

　　2003年1月，在國家自然科學基金委地學部“關于推動空間天氣研究座談會”上，中科院院士涂傳詒等人提出的“夸父計劃”科學思想和基本概念得到了很多單位和專家的支持。

　　隨后，在國家自然科學基金委重點項目等的支持下，多個科研單位和高校在“夸父計劃”的科學背景、科學目標以及為實現科學目標要求配置的有效載荷等方面展開了預先研究。“夸父計劃”現已列入中國科學院空間科學探測先導性專項計劃。

　　“夸父計劃”的實施將使我國自主深空探測距離從“嫦娥計劃”的38萬公里推進到150萬公里，將顯著提高中國在國際航天領域的地位和形象，從根本上改變我國空間天氣業務主要依賴國外數據的現狀，使我國成為國際上最重要的空間天氣數據源之一。

　　“太陽風源區遍布太陽表面，其起源過程中可能發生多個關鍵物理過程，這些物理過程控制著日冕的加熱和太陽風的加速。因此，研究太陽風起源的物理過程是空間物理學的關鍵課題之一。但限于觀測手段，很多理論都沒有確認。”夏利東說，“對太陽風起源、源區的瞬態活動進行多溫度的高時空和譜分辨率的診斷也是‘夸父計劃’的科學目標之一。”

　　過去十年中，我國學者對太陽風在幾種源區，包括極區和赤道冕洞、寧靜區、冕流和活動區邊緣的起源特征進行了系統研究，取得了在國際上有影響力的研究成果。

　　空間物理學界曾普遍認為，太陽風來自太陽表面日冕輻射較弱的開磁場區域，這種區域被稱為冕洞。我國學者利用衛星觀測資料及日冕三維磁場構建技術，獲得了冕洞源區的物理特性，發現太陽風初始流動起源于色球網絡組織單極磁場凝聚區，并且形成具有約10 公里/秒的初始速度。

　　2005年，以涂傳詒為首的中德科學家小組在美國《科學》雜志發表研究論文，首次重構極區冕洞開放磁場的三維結構，確定太陽風初始外流的形成高度，由此提出了三維太陽風起源新圖像：太陽風起源所需的物質和能量由周圍的中尺度閉合磁圈被對流攜帶與位于色球網絡的開放漏斗狀磁結構發生重聯而供應。

　　隨后，我國學者還進一步分析了過渡區以上低日冕的多普勒藍移隨溫度的變化趨勢，找到了太陽風外流初始加熱、加速的證據，與太陽風沿多個磁漏斗外流并在日冕里匯合的圖像相吻合。此外，創建了物質和能量由流管中部供應的太陽風起源新模型，重現觀測得到外流加熱和回流冷卻。

　　“對太陽風起源的新構想得到學術界的重視。國外有學者評價為‘具有里程碑意義的成果’，使人們對太陽風源區有了更好的理解。” 北京大學地球與空間科學學院教授何建森說。

　　《空間研究進展》雜志指出，如果這一概念正確，它將挑戰舊的概念，從根本上改變我們對于太陽風形成的觀點。