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作者：李会超 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室   太阳之外的太空中并不空虚，从太阳炙热的大气中被加速的气体形成太阳风，向太阳之外高速扩张。和我们日常所见的气体不同，这种气体因为温度很高，一些电子已经完全从原子核附近剥离，使得气体呈现完全电离的状态。我们将这种气体称作“等离子体”。 太阳风等离子体在向外运动的过程中，将太阳附近的磁场携带到太空空间中，形成了行星际磁场。“行星际”是行星之间的意思，表示这种磁场存在的区域是行星之间的太空空间。  行星际磁场是太阳风能量和粒子输入地球的钥匙，同时也是太阳高能粒子传播的轨道。如果你从太阳附近出发，每走一小段距离就测量磁场的方向，并沿着磁场的方向前进，当你飞行到地球轨道附近或更远的地方时，回看自己走过的轨迹，你会惊奇的发现它并不是径直向外的，而是呈现弯曲的螺旋状。 在1958年，太阳风理论的先驱尤金·帕克（Eugene Parker）教授在飞船给出行星际磁场的观测前就已经在理论上预言了这种形态的存在，因此，空间物理学的研究者们习惯将这种形态称为帕克螺旋线。   行星际磁力线是如何被“掰弯”的呢？假定我们有机会在太阳表面修建了一个飞船发射场（遗憾的是这个设想一时半会实现不了。在太阳表面，钢铁可以瞬间化为蒸汽），而你则乘坐着飞船从太阳表面被发射出去，飞行方向是太阳中心和发射场连线所指向的方向，我们习惯将这个方向称之为“径向”。你的飞行速度相当快，每秒向外飞行数百公里，这个速度约是民航飞机飞行速度的数千倍。 当你飞行几天后，拿望远镜沿着自己的飞行方向向后观察，会看到发射场已经离开了它原来的位置。你通过无线电和发射场的朋友联系后，他们表示发射场并没有搬迁，你之所以在望远镜中观察到发射场的位置发生了变化，是因为你一直在向径向方向前进，而太阳却是不停旋转的。 这个太阳上的发射场，每天都要以相同的方式发射许多艘飞船。在望远镜中，你还会发现在你之后的发射的飞船在太空中并没有呈现一条直线，而是呈现了一条螺旋线。这是因为由于太阳的自传，每艘飞船发射时是指向的方向也会发生变化。而在太阳表面每时每刻都在喷涌而出的太阳风，和这些飞船的运动轨迹是类似的：从太阳附近像径向方向喷出，在太空中形成螺旋状的结构。  回到我们的太阳发射场。 一天，发射场的人决定将一条绳索附着在每艘飞船上。第一艘飞船负责将绳索拉向太空中，而之后的每艘飞船都可以改变绳索在太空中的形状，飞船飞行到哪里，便会把绳索上与飞船附着的那一点牵到哪里。于是，这条连接每艘飞船的长绳，在太空中也呈现出螺旋线的形状。 行星际磁力线，就像是这条太空中的长绳，它由太阳风携带到行星际空间中，形成了和太阳风轨迹相同的螺旋线。太阳风等离子体之所以能够“牵”住磁力线，是因为太阳风等离子体和磁场的冻结效应。 太阳风等离子体可以近似被视为电导率无穷大的理想等离子体。在这种等离子体中，任意大小的等离子体元所包围的磁场通量是不能变化的。否则，将会产生电场，进而在电导率无穷大的环境下产生无穷大的电流，而这是不可能的。在磁冻结的条件下，等离子体元不能横越磁力线运动，处在同一磁力线上的等离子体团将永远处在那根磁力线上，等离子体团和磁力线就好象“冻结”在了一起。 也许是种巧合，Paker提出太阳风和行星际磁场基本理论的时间，和人类第一颗人造卫星发射、太空时代来开帷幕的时间相差不远。理论和技术上的共同进步将空间物理研究推向了一个新的时代。在人类向太空中发射了诸多探测器后，地球附近的探测结果以及Ulysses、Pioneer、Voyager等飞船在距离太阳更远的探测结果都显示Parker的行星系磁力线的正确性。 当然，如此简单的图像和“真空中的球形鸡”一样，都是对物理规律的初步认识。通过之后的观测和研究，空间物理学家们认识到了行星际磁场更丰富的性质，但帕克的螺旋线模型反映了行星际磁场最基本的性质，即便在今年发表的研究工作中，依然在被研究者们使用。 在空间物理的研究中，中国和巴西的科学家们建立了良好的合作关系。国家空间科学中心在巴西设立了中科院南美空间天气实验室，白春礼院长还曾经亲切视察过那里。我所在的实验室曾有一位巴西博士后，此君嗜球如命，一次去开学术会议时发现附近有中超的比赛进行，便拉着同行的中国学生和他一起去看球。还有一位老师因为工作关系经常到巴西访问交流，和巴西的科研工作者们建立了深厚的友谊。虽然他认为“巴西那个地方遍地都是土匪”，但据同行老师讲，这位老师对巴西的一切都倍感亲切，巴西俨然已经成了他的第二故乡。 作者：李会超 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室 |
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