宗秋刚：极光——太空中的现象丨课程实录

博雅哥说

本文是本学期的核心通识课程《地球与空间》宗秋刚老师开设的另一门慕课《极光——太空中的影像》的课程笔记。在这门课程中，宗秋刚老师介绍了极光的各种不同的分类，极光与太阳活动的关系，极光的产生与地球磁场的关系，以及空间气象对于我们生活的影响。

Vol.374

走进课堂

极光——太空中的影像

本文为宗秋刚老师慕课《极光——太空中的影像》笔记；慕课来自超星视频，点击阅读原文可以观看宗老师更多课程。

今天非常开心来到“超星学术视频”，和大家聊聊极光。极光是一种太空爆发的影像，是一种可见的太空物理现象。它往往出现在纬度特别高的地方，但是如果太阳活动比较厉害，极光往往会往中低纬度扩展，扩展到最大的时候，海南岛也可以看见极光，当然这是一百年才有一遇的。极光活动是一个我们了解太空的窗口，是我们能看得到的；而剩下的过程（是我们看不到的），比如说极光产生的原因包括一些很复杂的空间物理现象。我的报告分为五个部分，第一部分谈一下极光活动，然后会谈一下太阳活动和太阳风。接着，太阳风吹出来之后和地球磁场相互作用，形成磁层，这是一整个电磁耦合过程，最后可能产生看得到的极光现象。最后，通过这个过程谈一下灾害性的空间天气。空间天气和我们平时的天气不太一样，平时下雨下雪是比较低的，而空间天气谈的是卫星、航天器、宇航员所在的环境中的天气，包括粒子辐射、电磁环境等。

弥散极光与射线极光

一

极光现象

1989年的时候我刚从大学毕业，去南极，在我们国家的中山站越冬。那个时候是太阳活动的最高年基本上每个晚上都可以看得到极光，它们一般出现在半夜或者凌晨。我在大学学的是粒子物理和核物理，后来到了科学院的空间物理中心，到南极考察，才慢慢进入这个领域；从南极回来之后，1994年我去了德国，1999年拿到了博士学位，这是后话了。

从照片上看，极光有多种形态，颜色也是丰富多彩的，随着极光所在的高度、太阳活动的条件和地球本身活动的条件不同，极光的形状和颜色也会不一样。一般来说，如果地球磁场在一到几个小时内迅速下降，在随后的几天内慢慢恢复，这个过程就叫地球磁暴，极光是其反映的一个方面。地球磁场比较平静的时候，极光主要在南北两极；随着地磁活动的增强，它会慢慢扩展到比较低纬度的区域。比较有意思的是近年来的太阳活动比较异常：现在属于太阳活动的平静期，它有11年的活动周期，但是这次的低谷特别长。本来太阳活动应该在2006年或者2007年的时候就开始走向另一个峰年，但是08年太阳黑子基本上一年都没有活动，09年也是一样，10年才慢慢恢复，滞后了两到三年。所以欧洲的科学家特别担心，因为历史上欧洲出现小冰河期就是因为很长时间内太阳基本上不活动，导致欧洲的天气极其寒冷。现在，太阳活动和地球气候的物理联系还没有建立起来，这个过程现在属于两个学科交叉的领域，也有一部分科学家正在研究。

射线极光与幕状极光

现在我们知道两大类的极光，一类是弥散极光，一类是分裂极光。分裂极光一般来说属于极光椭圆带，纬度比较高，和亚爆的联系更紧密；而弥散极光属于中低纬度，和磁暴的联系更紧密。这是一张去年（2010年——记录者注）在加拿大拍摄的弥散极光的照片；另一张射线极光的照片是2000年我在德国拿到博士学位一年之后拍摄的。（图片见上方）那天我在办公室里干得比较晚，十一点半到十二点左右，从办公室回宿舍，突然抬起头来，就在天上看到了特别耀眼的红色极光，非常兴奋。当时我在马克斯·普朗克研究所，它旁边的大学城哥廷根是现代物理的发源地，量子力学的奠基人波尔、海森堡、薛定谔等都是那里出来的，哥廷根大学有二十个得了诺贝尔奖的学者。这张照片也是射线极光，在不同高度颜色不一样。这张照片则是幕状极光。从形状划分极光是非常困难的，虽然我们国家关于极光的历史记录中有很多不同的形状。从形状来了解极光会受到很多的限制，因为人从不同角度、不同的人去看，画出来极光的形状都有可能不一样，这样子就使得研究极光变得非常困难。一般来说极光在地球上的尺寸也很大，集中的纬度一般是65°到75°，一个人两个人是得不到它的整个轮廓的。近年来，特别是1960年代人类进入空间年代、可以从卫星看到整个地球的形象之后，才能够得到整个极光的全貌，这对研究很有帮助。去年4月4日，冰岛的极光和火山爆发正好连在一起（图片见下方）。当时正好发生了一个小型的亚爆，我们当时在杭州举办一个国际的空间物理研讨会，欧洲的人就因为这个火山爆发来不了了，整个欧洲的机场几乎全部关闭了。这张照片则是极光正好在你头顶上时你抬头看到的景象（图片见下方）。

极光的色彩往往是三种，即深红色、蓝色和绿色。在特别强的时候，也会出现红色的极光，这往往是在特别强磁暴的时候。带电粒子撞击地球大气，受到撞击的大气分子发出的谱线的总和就是我们看到的极光；在低于100公里的地方，它们发出的是深红色的极光；100公里到200公里的高度发出的是蓝色或者绿色的极光，而200公里以上出来的谱线则往往是红色的。

火山爆发附近的极光（上图）与正上方的极光（下图）

二

太阳活动与极光

我们知道极光的活动和太阳的活动密切相关。在1940年代，一位德国科学家比尔曼，在研究彗星时发现彗星的尾巴不是严格在运动方向的反方向，而是有一定的角度。如果仔细看，会发现彗星有两条尾巴。他当时注意到这应该是太阳有东西出来（造成的结果），提出这条尾巴是太阳风和彗星相互作用产生的。实际上彗星尾巴在我国的历史记录有很多次，只不过没有过特别仔细的研究，当然条件也有限。

现在我们都知道极光活动有十一年的变化，极光的强烈程度是和太阳黑子数正相关的，太阳黑子多的时候极光活动也多。这张图（下图）显示了400年中太阳活动的变化，而有完整极光记录的大概是200年。大家知道太阳特别热，会有源源不断的等离子体出来，形成太阳风，太阳风有速度大小的不同。还有一种太阳现象是太阳爆发事件，即太阳风暴、日冕物质抛射，它一旦撞到地球就会产生非常强的地磁爆。地磁活动强烈地受到太阳活动的影响，不同类型的地磁活动通常有不同的太阳活动作为驱动源，比如大的磁暴往往是特别强的太阳风暴驱动的。

太阳活动的变化

三

地球磁层

我们的祖先早在几百年前就知道地球有磁场，而且利用地球磁场发明了指南针，早期的航海活动就是靠指南针完成的。在靠近地球的时候，可以认为地球磁场是一个纯粹的偶磁场，它的南北极正好是和地理的极性反过来的，也就是说地理上我们在北半球，但是在地磁上属于S极。比较遗憾的是虽然我们国家最早意识到地球有磁场，也最早利用了地球磁场，但是没有进一步往前去做定量的分析。一位英国科学家首先利用不同纬度的地磁测量，发现了地磁的纬度分布。大体上在150年前的时候，德国科学家在全世界范围内建立了地磁观测站，定量研究地磁的变化。一位德国科学家亚历山大·洪堡首先意识到地球的磁场有变化，并把它称为磁暴。之后，哥廷根大学的高斯积极推动在全世界系统地布点来观测地磁活动。另外一件在空间上比较重要的事情是英国科学家Appleton——他在1947年获得了诺贝尔奖——发现了电离层。大家知道声波是压缩波，一般不会拐弯，很难传播到特别远的距离。在1924年，Appleton证明了地球外部有一个层可以反射电波，可以利用它进行无线电波的通讯，这导致二次世界大战的时候英国的通信特别先进。

空间物理的发展分为几个阶段：1930年之前是第一段；1930年代到1952年，人们不只是发现了电离层，而且根据对地球磁场的观测，推断出在空间可能存在环电流。实际上真正开始空间时代是1956年开始，当时有一个很偶然的发现，一个美国的科学家叫范·阿伦，他通过火箭和卫星实验，在探测器上放了一些简单的计数器，发现它被饱和了，于是他意识到空间中有很多高能的带电粒子。随着实验的进展，他提出空间中存在一个辐射带，标志了空间时代的真正开始。范·阿伦因此两次成为《时代》周刊的封面人物。随着人们对空间的了解越来越深入，一些微观的结构，包括所谓的能量转换和爆发性的现象都开始被人们了解，但是现在人们还没有完全了解极光的粒子是如何加速的、加速的能源是从哪里来的等细节。

磁层的示意图

这是一张磁层的示意图，天上有十几颗卫星，包括我国的“双星”Double Star 1和Double Star 2，欧洲的CLUSTER，美国NASA的WIND，还有欧洲空间局和美国NASA的合作卫星SOHO等等。磁层的结构也许大家很陌生，但是如果做一个类比，把一个钢盔放到一个高速的风洞中，如果风速是超声速的，而下游是亚声速的，就会在钢盔前面形成一个激波，在下游会形成一个湍动的区域。磁层也一样，太阳风是一个超声速流，而地球磁场是一个偶磁场，二者相互作用；但地球磁场相对来说要规则一些，因为它的粒子要沿着磁力线运动。这种图像可以扩展到整个太阳系，太阳系之外有星际的风吹过来，和太阳的日球层相互作用，在太阳前面也形成一个激波，也会随着太阳边缘形成一个Heliosphere，中间是在太阳风停止的地方形成一个Heliopause的激波终止区域。这可以进而推广到整个银河系甚至宇宙，一个高速流和一个星体相互作用的时候，在正对的部分和背离的部分都会有两大类的结构。

卫星拍摄的极光照片

四

极光的产生

现在我们知道地球上的极光是太阳风和太阳的偶发现象与地球磁场相互作用产生的，也了解了磁层，那么极光到底是怎么产生的呢？地球有一个极光带，最高纬度的部分是没有极光的，而低纬也有一个边界。如果从地面上看，无法了解极光的经纬度分布有多宽，而用卫星成象就是很好的手段，可以看到极光在哪里出现，范围是多大，强度有多大，得到它的全貌。我们也了解到极光的发生是全球性的，不光是极区；它的分布也是一个很复杂的现象。极光是空间现象在地球大气上的投影，相当于早期的显像管电视，在原理上也一样，就是电子打到显像管上产生丰富多彩的图像。这是一个POLAR卫星拍摄的极光图片（上图），你可以看到极光从高纬度开始，向低纬度扩展，极光的椭圆带会膨胀并且变得越来越大。不光是地球有极光，现在随着人类的进步，人造卫星也被送到火星和木星的轨道上；哈勃望远镜也能看见土星还有木星的一些现象。前一段时间发表在《Nature》上的一篇文章，一个大的太阳风暴事件在木星上面也形成了极光现象，最后在土星上也看到极光。地球离太阳是一个天文单位，木星大体上离太阳有五个天文单位，而土星是十个天文单位。地球到太阳实际上蛮远的，光速都要走八分钟，而光从太阳到木星要走40分钟，到土星要走80分钟，是相当远的。现在发现，只要有磁场的行星都可以看到极光现象，只要满足了几个要素：能量转换、磁场和大气，就可能看见极光。

木星上的极光

五

空间气象的影响

极光活动只是空间气象一个现象。随着人类的进步，空间活动越来越多，卫星电视、气象卫星、通信卫星、导航卫星等与空间相联系的东西都会受到空间气象的影响。我们知道，整个日地空间的剧烈变化过程——往往称为空间天气，会影响空间系统的环境。一个比较重要的过程就是所谓的磁暴。磁暴是地球磁场的剧烈变化过程，主要有三个驱动源，都是从太阳来的。第一个是日冕物质抛射，第二个是行星际相互作用，第三是行星际的大尺度激波，它们可以产生不同大小的磁暴，而极光只是磁暴的一个反映。磁暴往往在太阳活动峰年的时候活动比较多，也有季节的分布，比如说在三四月的时候最多，九、十、十一月的时候也比较强烈，在一、二、五、六、七、八等月则比较平静。

在磁暴期间，空间的带电粒子会加速到非常高的能量，成为一种“杀手电子”。我有一篇关于它的文章，入选了Discover杂志的“2007年全球百大科学技术进展”。这种电子是空间中对航天器最有威胁的粒子。这种特别高能量的带电粒子是如何产生的呢？人们用一系列的卫星来研究它们，发现在强烈的太阳爆发期间，比如说日冕物质抛射前的大尺度行星际激波和磁层相互作用中，会产生非常强烈的压缩，产生一种很强的波，这种波会加速电子，把整个辐射带变得很强，导致卫星异常甚至失灵。这种空间天气会影响整个和现代社会密切相关的领域，比如说通讯、导航和定位，这是对它的研究在应用上的意义。而在科学上，我们也关心极光的能量是如何来的，是如何从磁能转化为粒子的动能。

此外，空间天气也会影响高纬度地区的供电系统，比如说在1989年，一次大的磁暴把加拿大的供电网摧毁了，让加拿大好几百人在冬天的时候呆了几十个小时没有电。从那以后，大家就越来越重视对空间天气的研究了。在长距离的飞行中，飞机的能耗会受到它的影响；在海上石油开采中，地磁的活动会附加一个电流，让长距离的供油管道受到影响。它也会使得GPS导航的定位不准。宇航员要出舱活动，剧烈的空间粒子活动会损害人的细胞。空间环境也会影响空间飞行器，包括它的电磁啊，带粒子翻转啊一系列问题。

1989年的磁暴

作为一个比较具体的例子，给大家看一下1989年3月的一次磁暴，大概是的DST指数是-548nT，这是非常大的。它影响了加拿大股市，因为现在的交易都是通过网络进行的，它损坏了计算机的电子元器件，使得加拿大的股市停止了交易。古巴和美国的佛罗里达虽然纬度很低，也看到了极光；那个时候冷战还没有结束，美苏关系不好，有一些民众没有见过极光，突然看到就很担心是不是发生了核战争。2003年发生的一次磁暴，几乎影响了所有在天上的卫星；它使得北欧的油被加热了至少十度，造成的附加电流有173安培，严重影响了高纬度地区的供电网络。

现在人们很担心地球的磁暴影响到底有多么剧烈。到现在为止，我们有记录的最大的磁暴发生自1859年，DST指数是-1760nT，如果把它转换成能量单位，这么大体上相当于50个原子弹那么大的威力。当时人类的通信主要靠电报，而所有的电报都发不出去；纬度十几度的地方也可以看见极光，主要是发生比较低空的极光，是血红色或者紫色的，极光的强度让北美和欧洲的人们在晚上都能看清楚报纸。还有一个比较有意思的事情是在波斯顿，当时电报发不出去，突然发现把电报发报机的电池去掉之后，电报就能发出去了。为什么呢？因为磁暴引起的附加电流能够驱动电报机。可以想象一下磁暴活动有多么厉害。在欧洲，人们意识到磁暴会影响铁路的通讯系统，它附加的电压达到了每公里9.1伏特。现在随着下一个太阳活动峰年——以前预计在2012年，现在预计是2013年——马上就要来临了。那么下一个太阳活动周到底有多强呢？应该不会超过上一个太阳活动的峰值，即2001年、2002年的峰值。地球上有可能发生的最大的磁暴强度大概是-2349nT，这是一个理论上的估计，大致相当于70颗原子弹的威力。《2012》电影纯粹是想象，太阳风暴不可能有那么剧烈的摧毁能力，它只是影响空间，影响人们的通讯和导航，减少卫星的寿命，不可能摧毁地球，人们的日常生活也不会受到太大的干扰。一般来说每一个太阳活动周期都会有两到三个比较强的、DST超过-200nT的磁暴，一旦有磁暴，就会对人类活动造成很大的经济上的影响。两年前，NASA估算如果发生1859年那样大的磁暴，美国的直接经济损失会到达2300亿美元左右，如果包括地面上设备的损失，要达到十万亿。和美国相比，我们的卫星数目较少，纬度也低一些，损失不会有这么惨重。今天的讲授就到这里，谢谢。

祁箫  记录 / 整理

凌峰 编辑  /  东宇 校对

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