中国科普博览＿南极博物馆

研究高空大气物理的极好场所

　　高空大气物理学的研究对象，是从地球表面以上的30公里高空一直到行星际空间所发生的地球物理现象和物理过程。高空大气物理学是天体物理学与地球物理学之间的一门边缘学科。它的研究内容很广，主要包括高空大气结构、电离层和日-地空间物理三大部分。
　　在南极地区，具有哪些特殊的条件极有利于研究高空大气物理学呢？

　　我们知道，地球像一块大磁铁一样，它有自己的磁场。地球的磁场向宇宙伸展，形成了一个称为磁性层的区域。磁性层向着太阳的一面，地磁场的磁力线闭合，宛如一个球形大盾，把地球保护起来；磁性层背着太阳的一面，被太阳风把磁力线拉开，呈尾状伸展。粗看起来，地磁场与偶极子颇为相似，宛如一个条形磁铁位于地球中心附近，在地球磁场的南极有南极歧点。

　　什么叫太阳风？简单地说，就是太阳粒子辐射流，是太阳辐射的组成部分。在离地球大约64000公里以外，也就是10倍于地球半径的地方，有一股超音速带电粒子流，又称"等粒子"流，它以每秒数百公里的速度飞向地球，不断冲击着地球外围环境，这就是太阳风。顾名思义，太阳风可以理解为太阳形成的"风"，只不过这个"风"不是"吹"的大气，而是带电粒子流，这个"风速"达到超音速。

　　向着太阳一面的磁性层保护着地球，使其免受太阳风的正面袭击，同时还改变太阳风的方向，使之绕过地球。然而，在地球磁场的南极歧点上，太阳风可以侵入。当太阳风侵入南极歧点区时，它能使带电的太阳粒子辐射流近于垂直地向电离层以至中低层大气输送，使各层区产生能量、动量和质量耦合区域，形成许多重要物理现象，如极光、哨声、粒子沉降和地磁脉动等。这是在非极地区不能看到或极少见到的。

　　这里只简单介绍一下哨声和极光。

　　一般的无线电噪声可以分为两大类，即人为的和自然界的噪声。自然噪声来自地球周围甚至于行星际空间。哨声是自然噪声中频率甚低的一种，是一种富有音乐性的谐音，其频率随时间延长而缓慢下降，同时，频率下降的速度随时间延长而减慢。仔细收听哨声的记录讯号，在一两秒钟内可以经过八重音阶，宛如美妙的太空音乐！

　　地球上的闪电是产生哨声的重要能源之一。假如在地球北半球一点发生闪电脉冲，它将沿磁力线方向到达地球的另一半球--南半球，在南半球收到的闪电脉冲的低频部分，叫短哨；短哨能沿地球磁力线再返回北半球，在北半球收到的回声叫长哨。由于极地区人为噪声极小，才易收到短哨和长哨。

　　鼻哨是一种最有意义的哨声。因为在它的频率随时间变化的曲线上往往出现拐曲部分，其拐曲形状如鼻，故曰鼻哨。鼻哨只在高纬地区（尤其是极区）出现，从它的频率-时间曲线的拐点上可给出地磁场磁力线顶点的磁场强度。若在极地区不同纬度上进行同时观测，就能定量地给出高空地磁场变化的数据，特别是在磁暴期间的观测，将对磁暴的形态及其形成机理提供有力的实验数据。

　　除了鼻哨的特殊作用外，哨声在研究外层大气中还有其它的重要作用。利用哨声资料，可以推断电离层中的电子浓度及其随高度的分布状况，这对改进远距离通讯很有意义。因为，在电离层中，电子浓度在不同高度上分布的情况，强烈地影响着这种远距通讯的质量。

　　此外，哨声的观测研究有助于判定磁场纬度的变化。地球的地理纬度是固定不变的，但地球磁场的纬度是不断变化的。经常测定磁场纬度的变化，对于研究地球磁场极为重要。从哨声频率的上限可以推算出地磁纬度，哨声频率上限越高时，地磁纬度越低。哨声频率上限约为1000千赫时，地磁纬度近于0度；频率为0.1千赫时，地磁纬度近于80度。

　　由此可见，进行哨声的观测研究，对于测定地磁纬度，改进无线电远距离通讯，确定地磁场磁力线顶点的强度等都具有重要意义。南极地区又为哨声观测研究提供了极好的场所。

　　极光，是发生在极地上空奇特而美丽的自然现象。

　　从科学意义上讲，极光是从太阳表面发射出来的带电粒子流，从外层空间疾驰而来，猛烈地冲击着地球南极地区高空稀薄的大气层，将大气分子激发到高能级，发出了耀眼的可见光。打个比方，如果把地球空间看做一个电视显象管，地球磁性层尾部的中央比作电子枪，南极地区高层大气视作荧光屏，那么，极光就是这个荧光屏上的图像。

　　极光出现的强弱取决于太阳强度以及太阳风离开太阳所携带的磁场的强度和方向。极光具有巨大的能量，可达到几千电子伏特。历史有记载的极光资料中，最惊人的一次极光出现在1859年，其感生电流强大到美国的电报员不用电池便将电报从波士顿发到了波兰。有时，一次极光的能量能超过北美的总的发电能力。顾名思义，极光应该出现在极区，自然，南极地区是观测和研究极光的好地方。南极的日本昭和基地和中国中山站就是调查极光活动的有利位置。

　　一般说来，极光易在67度的地磁纬度和110公里高度附近出现。有时，当太阳风阵风风速超过其正常风速（每秒数百公里）时，电离层中的电流增强，影响地磁活动。在这种情况下，地磁磁性层被压缩，极光区也被推向地磁纬度较低的地方，当极光在地磁纬度的61度附近出现时，南极哈利站和赛普尔站也能观测到。

极光

　　研究极光活动的目的，主要在于通过它来研究等离子体层中某些物理现象及其对通讯和卫星轨道的影响。这是因为，当带电粒子落入极光区时，极光区的带电粒子可进一步产生出一个电子浓度大大增强的薄层，引起地面发射机发出的高频无线电波发生异常。此外，极光区的粒子还加热大气的最高层，引起那里的局地大风。极光还能使热层（110公里～300公里）大气明显变暖，电子浓度增大，影响飞行高度低的极轨卫星轨道。

　　在南极地区，除了研究哨声和极光具有极为有利的条件外，观测和研究地磁场的变化也是非常有利的。
　　例如，在南半球，地磁极和南极点之间的距离是北半球地磁极与北极点之间距离的两倍。在南极地区，同一地理纬度但经度不同时，其地磁纬度不同。许多南极地区考察站位于沿岸差不多相同的地理纬度上，这就为研究一系列地磁纬度上的高层大气物理提供了独一无二的机会。特别是在西经零度到90度之间，更是研究与等离子体层顶相联系的电离层现象的天然实验室。因为，只有在南极这一区域才能在这么高的地理纬度上研究与等离子体层顶有关的电离层现象。

又如，在南极圈内漫长的冬夜期间，没有因太阳辐射而造成的直接电离现象，这就为研究与地磁场相联系的电离层特征提供了许多机会。

　　综上可见，在南极地区是研究高空大气物理的极好场所，其中，南极圈内的大陆更为这些研究创造了有利条件。