日－地空间的科学研究

　　日－地空间物理是随着太空时代的到来而迅速发展起来的新型学科。且随着全球变化大科学目标的提出，科学家们越来越强烈地意识到日－地整体行为、大气环境与人类生存条件有着极为密切的关系。从国际地球物理年开始，日－地空间物理、气物理与化学研究已逐渐成为北极科学考察活动中投资最多、规模最大的学科之一。其中主要项日有极光、哨声、电离层、宇宙线、甚低频、温室气体、臭氧耗损，以及北极大气环境对全球气候变化的影响。

　　极光作为一种天象，自古以来为人注目。对极光及其他空间物理现象的研究取得的重大进展，则是最近二三十年的事。科学家已了解到地球磁场并不对称。在太阳风的吹动下，它已经变成某种“流线型”。也即朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的形似彗尾的地球磁尾，磁尾至少有1000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的耦合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具有“冻结”磁力线特性，所以太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时（如耀斑爆发），常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动，从极区向地球注入。这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发——退激而发光。不同的分子、原子发出不同颜色的光，混合在一起，就形成多姿多彩的极光。事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。且极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。科学家能从这个天然大电视中得到磁层以及日－地空间电磁活动的大量信息。如通过极光谱分析可以了解沉降粒子束的来源、粒子种类、能量大小、地球磁尾的结构、地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰动对地球磁场的影响方式与程度等。

　　根据斯托马理论，地球磁场在极区对宇宙线粒子的截止刚度很小，甚至为零。所以进入极区的宇宙线通量大大高于其他地区。科学家兴奋地在这个理想的天然实验室中研究外层空间的使者：太阳宇宙线与银河宇宙线。银河宇宙线实际上是接近光速运动的亚原子粒子流，因而具有极高的能量。这些能量甚至比人类目前最大的加速器所能得到的能量还要高几十亿倍。所以，当这些高能粒子与地球亚原子粒子发生猛烈碰撞时，就会产生一系列人类尚无法在实验室实现的原子物理现象，如产生新的、质量更大的亚原子粒子。而这正是物理学家梦寐以求的。太阳宇宙线的能量相对较低，但由于浓度大，所以对于航天器和宇航员的生命构成威胁。太阳宇宙线可对空间飞行的航天器进行电离，产生一个额外电流，从而对航天器上的电子器件发出虚假指令，以致造成严重后果。目前至少有一颗人造卫星已经毁于这种虚假指令。此外，太阳宇宙线也可以强烈影响地球的无线电通讯。

　　电离层亦属北极研究日一地空间的一个重要课题，最明显的理由就是电离层的扰动可能引起无线电通讯中断及地球磁场的紊乱。由于电离层本身是太阳高能辐射宇宙线在地球大气中电离造成的，所以太阳活动的变化如太阳x射线暴、太阳宇宙线、银河宇宙线的福布什下降等，都会影响电离层性状的稳定。目前，大气物理学家正以电离层垂测、探空火箭等各种手段研究北极电离层。促使他们在北极（也包括南极）工作的原因有两个：第一，人类对极区电离层所知甚少，对中、低纬度电离层则相对了解得比较清楚；第二，极区的地球磁场具有较为特殊的结构，在那里研究电离层可以得到许多其他地区无法获得的信息。北极的甚低频研究是大气物理主要研究项目之一。可通过接收全球导航系统台站网的甚低频信号研究其相位变化规律，了解极区粒子沉降对低电离层的影响及地球磁层中波一粒的相互作用。

　　温室气体、臭氧耗损及北极大气环境对全球气候变化的影响是当今最引人注意的题目。目前考察与研究的内容包括北极地区温室气体的来源、集汇分析与监测；北极对全球主要温室气体循环的调制作用；臭氧及相关气体的时空分布与变化特征；北极区太阳紫外辐射变化对臭氧变化的响应；北极烟雾的成分特征及人类活动对大气环境影响的评估；北极天气气候特征及其对全球气候变化的影响等。

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