空间物理真的有用吗 [复制链接]

空间物理

有用吗？

许多空间物理专业的学生可能都会害怕在讲报告时被老师们问到这样一个问题——你研究的东西，有什么意义？“意义”，研究了这么久，我们对自己所研究的东西的意义，似乎应该是了如指掌的。但很多时候，我们在基础科学的研究中可能会只专注于科学问题本身，而很少去思考“这东西到底有什么用，我们研究这些东西是为了什么”。

图1

图2

空间物理的研究意义，专业一点的话可以简单描述为研究太空中等离子体的结构、环境和现象的一门学科。听起来和我们的日常生活相去甚远，很多的人听完这一解释便对这门学科望而却步。在介绍这门学科有什么用之前，往往需要对“太空中的等离子体”这一概念进行说明，这也正是一个容易让人失去兴趣的过程。如何将这个过程简单易懂地讲给听者则是一个难题。

图3

从地球高层大气到太阳，这些都属于空间物理研究的区域。从距离上看和我们间隔甚远，这段距离内发生的各种物理过程却又无时无刻不在影响着我们的生活。

所以今天我们就来讲讲空间物理和生活的联系。

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和日常生活联系紧密的

空间物理

导航通信广播

简单来说，我们熟知的天空主要指距地面约六十公里以下的全部为气体区域，该高度以上的区域中的物质发生电离，以等离子体的形态存在，虽然由气体变成了等离子体，但如气体一样，等离子体也是一种可以流动的物质。低高度的天空中，水汽密度低的地方是透明的，水汽云集的地方则形成云块。高高度的等离子体，在密度高处也存在“云”这一结构。浓密的“云”会对卫星信号的传输造成干扰。因此，研究空间物理环境对于精确定位，导航以及即时通讯意义十分重大。

图4全球电离层电子密度（电子密度指示等离子体浓度）分布，低纬的磁赤道两侧有浓密的等离子体聚集。高层大气如我们日常所见的低高度的“蓝天白云”一样，是不均匀的。

太阳的剧烈扰动会造成等离子体的扰动，从而产生厚重的“云”，如同对流层的云会造成飞机运行的强烈震动，等离子体的“云”也会干扰信号的传输及卫星定位系统。如今，卫星的通讯和定位服务已经遍布我们生活的方方面面。俄乌战争已经让我们看到了卫星定位的重要性，精确的卫星定位提供的海量情报可以极大影响战争的态势。刘慈欣的《全频带阻塞干扰》一书就提出了大胆的构想，即面对敌人在通讯方面的巨大优势，果断对域内所有波段的信号都实施最强烈的干扰，造成战争两方都丧失通讯能力，将信息通讯水平拉回同一起跑线。

图5俄军现役的“鲍里索格列布斯克-2”短波/超短波无线电侦察干扰车，用于定向干扰GPS的信号以遏制“海马斯”火箭炮的袭击。

空间环境预报

太阳活动造成的空间环境扰动，在某些时候也可以归为一种自然灾害，造成局部磁场剧烈变化进而导致一些通电设备的损坏。这里就不得不提到著名的卡林顿事件（CarringtonEvent）：发生于年，这是有史以来最著名的太阳风暴事件之一。英国天文学家理查德·卡林顿（RichardCarrington）观察到了这次太阳耀斑，它导致了地球上强烈的地磁暴，影响了当时的电信系统，甚至使得赤道附近的地区观测到了极光。整个西方世界的电报系统均出现失灵并起火的现象，在某些情况下甚至出现接线员触电的情况。

图6对卡林顿事件前后磁场变化的模拟，日冕物质抛射的冲击造成地球磁场的形态大变。

最近一次造成地面设备大范围破坏的事件发生在年3月13日至14日。一次强烈的太阳耀斑引发了地球上的显著地磁暴，影响了加拿大的魁北克省，导致大范围的电力系统故障，造成了长时间的停电，甚至让部分美国人怀疑是苏联对其发动了攻击。

最近的一次空间环境扰动造成破坏的事件则与网红公司SpaceX有关。SpaceX在年2月3日发射升空的49颗星链计划卫星（Starlink），由于受到地磁暴的严重影响，多达40余颗于次日损毁。本次发射卫星的策略是，先用火箭将卫星送入公里的预定轨道，再用电推进器将卫星送往更高高度。然而卫星由火箭推进转向电推进时遭遇地磁暴。事实上本次只是一次低强度磁暴，但是这次地磁暴导致大气密度增加，阻力增强，此时卫星处于公里的轨道，大气阻力与电推进力可能大体相当，推进作用失效。

图7疑似星链计划坠毁的影像。

科学家们可以通过监测太阳活动（太阳黑子，耀斑），空间天气观测（包括太阳风，宇宙射线通量，行星际磁场等），建立数学模型等方法进行空间天气预警。那么，我们可以从哪里获知空间环境预报呢。这里给出一个例子，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）：NOAA的太空天气预测中心（SWPC）负责发布太空天气预报，包括太阳风暴、地球磁暴、极光活动等信息。