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王赤

  已经通过预验收、明年即将正式运行的“子午工程”,是空间天气学国家重点实验室提出和牵头建设的“十一五”国家重大科技基础设施项目。空间天气学国家重点实验室是全球第一个以“空间天气”命名的实验室,这个实验室的建立对空间天气的观测和预报能起到什么作用?本报记者对该实验室主任王赤进行了专访。

  学者名片

  王赤:中科院空间科学与应用研究中心研究员,空间天气学国家重点实验室主任,中科院“百人计划”学者,国家杰出青年基金获得者,“子午工程”总工程师。美国麻省理工学院物理学博士,曾任麻省理工学院空间研究中心研究科学家。

  太阳打喷嚏地球就感冒

  记者:什么是“空间天气”?

  王赤:日常生活中的天气变化,如刮风、下雨、打雷、下雪等,是由离地面10公里内的地球低层大气的变化引起的。而空间天气,通俗的说法就是“太空天气”,发生在距离地面20至30公里以上的空间,是低层大气中的最外层——平流层以上的区域,依次包括中高层大气、电离层、磁层、行星际空间以及太阳大气等各个不同的空间层。太阳上出现的耀斑和日冕物质抛射等剧烈活动,会对这些空间层产生严重影响,人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为空间天气。

  太阳风中的气团主要内容是带电等离子体,以每小时150万到300万公里的速度闯入太空,会对地球的空间环境产生巨大冲击。太阳风暴爆发时,将影响通讯、威胁卫星、加大GPS导航误差、破坏臭氧层,对人体的健康也可能会造成一定影响。

  “太阳打个喷嚏,地球就会感冒”,这句话十分贴切地形容出太阳和地球的关系。

  记者:太阳打喷嚏是怎么让地球感冒的?“空间天气”能预报么?

  王赤:太阳的爆发主要以三种方式影响地球。第一种是太阳的电磁辐射,也就是“光辐射”。太阳会突然发生变化导致电磁辐射剧烈增强,特别是它的紫外线波段,这个过程发生后,以光速传播,八分半钟到达地球。第二种是太阳爆发时导致的高能粒子,高能粒子爆发产生的粒子雨十到几十个小时后到达地球,会影响航天器的安全运行,甚至会威胁宇航员的生命安全。第三种是太阳爆发产生的大量的物质,即日冕物质抛射,对地球空间环境产生的影响最大。“日冕”是太阳的外层大气,它里面的物质爆发时,能量巨大,速度大概是每秒钟几百公里,一般两到四天传播到地球。当太阳风暴袭击地球时,会使地球磁场产生激烈的扰动——磁暴。磁暴不但影响高空的空间状况,还会影响地基的技术系统。例如,有可能通过电磁感应,在长距离输电的供电网中诱发强大的冲击电流,造成输电网络瘫痪。

  就我们现在的认知水平而言,空间天气的变化源头是太阳活动。太阳爆发活动我们很难预测,跟地震预报一样难。但如果已经发现了太阳爆发活动,我们可以打个时间差,预报上述三种太阳爆发形式中传播速度相对较慢的后两种形式对地球的影响。

  当然,不是所有太阳爆发活动都对地球造成影响,事实上绝大部分太阳爆发活动都不会对地球造成影响,首先太阳爆发活动不一定冲着地球来;其次就算在太阳表面是冲着地球来的,中间还可能转弯(日地距离在1.5亿公里左右),绕过地球;第三,就算到了地球,也需要一定条件(比如行星际磁场方向需与地球磁场方向相反)才能冲破地球磁场。所以,我们必须对日地空间的物质运动变化规律进行研究,才能有效预报太阳活动对地球的影响。我们现在的空间天气预报水平还比较差,大致相当于天气预报在上世纪五六十年代的水平。

  记者:空间天气研究有何意义?

  王赤:空间天气研究的意义主要在两方面。

  首先是为满足实际应用的需求。通过观测、研究,预测出太阳活动对我们的影响,可以减轻或防止太阳活动带来的灾害。例如,预测“粒子雨”何时发生,就能避免宇航员的伤亡。又如,太阳磁力变化会对地面通讯造成影响,如果我们能提前预警,就能及时采取其他通讯手段以避免影响。

  其次,空间天气学的研究有理论意义。低层大气的研究对象是中性物质,物质的分子和分子之间以碰撞作用为主,因此我们一直采用经典的气体动力学来研究低层大气。但高层大气已经十分稀薄,分子之间的碰撞作用几乎不存在,大部分已经电离,形成了等离子体,传统的气体动力学已经不适用于高层大气以及整个空间天气学的研究。因此我们要研究空间天气,必须要了解在非碰撞条件下带电粒子的物理过程和运动规律,开拓一个全新的学科领域。空间天气学还对宇宙学、太阳物理学、计算机建模知识、地球物理学等其他学科的研究有促进作用,它是一个多学科交叉的科学体系。

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channelId 1 1 “子午工程”摸准太阳脾气 观测预报太空天气 1 已经通过预验收、明年即将正式运行的“子午工程”,是空间天气学国家重点实验室提出和牵头建设的“十一五”国家重大科技基础设施项目