文章来源: 空间天气学国家重点实验室
作者: 魏奉思院士
一个特定的太阳活动现象会有什么样的行星际表现，会引起什么样的地球空间环境变化发生？这是全世界日地物理学家们面临的重大科学问题，它直接关系到人们对 日地因果关系的定量了解和空间环境预报能力的改善。近十年来，人们围绕行星际瞬变过程与太阳活动的联系这一科学主题开展了大量的探测和研究活动。大量的工 作集中在寻求某种太阳活动现象和某种行星际瞬变现象间的联系，它增进了人们的认识，但就其进展和对空间环境预报能力的改善而言尚不显著。与此同时，一些日 地物理学家开始注意全日面大尺度结构对太阳扰动传播过程的研究。他们发现，大体相同的耀斑活动，当它们处于不同位形结构的电流片之中时，会有很不相同的行 星际和地球物理效应发生；虽然耀斑活动相对太阳电流片的分布具有高斯分布，地球观测者和耀斑相对太阳电流片位置而言却存在重要的“同一异侧效应”，同侧事 件发生率和日地系统扰动效应均明显高于异侧。这不仅在行星际激波、日冕激波及其地磁扰动方面被发现，质子耀斑事件以及太阳富能粒子强度的时间剖面变化等， 也随之相继被发现。太阳电流片以及扩展而成的日球电流片的演化规律已有相当了解，它是依太阳活动水平而变化的一种重要结构，它对行星际激波传播的重要偏 转、会聚等传播特征产生重要作用。鉴于这种大尺度电流片结构研究在日地物理学研究中重要性的日益被人认识，在国际日地能量计划(STEP)所属 SOLTIP计划中被作为鼓励进行国际合作研究项目列入，SOLTIP委员会主席M．Dryer博士在美国的STEP Newsletter上发表评述文章论述“电流片与行星际瞬变现象相互作用”(Interaction of Current Sheet with Transient Phenomena)研究的重要性，建议列入SOLTIP计划中。我国有关学者被邀请在第一次国际SOLTIP专业性学术会议上作题为“日球电流片对耀斑 一行星际激波传播的影响”的特邀报告。这些都表明国际学术界开始重视太阳附近的大尺度结构对日地系统基本过程影响的研究。最近的进一步研究表明，不仅磁 场、速度、密度(或K——日冕亮度)存在全日面结构，等离子体质量流量、动量流量和能量流量的输出也存在全球结构，并且这种结构复太阻日冕(或光球)磁场 的全日面结构存在密切关系，后者控制着前者的流量强度和速度谱关系，不同磁结构区会有不同的太阳风加速机制存在，等等。综合这些重要发现，形成了如下新概 念：太阳等离子体和磁场输出存在全球结构，它由太阳内部过程和太阳大气过程共同决定，磁场起着重要作用。全球结构决定着日球空间(即行星际空间)的三维结 构和动力学过程，是影响地球空间环境变化的重要因素。这一重要新概念的形成和提出，对于太阳风加速机制、日球三维结构和动力学过程、地球空间系统外边界条 件的定量研究和空间环境预报能力的改善等研究，乃至整个日地系统能量传输过程的研究，提供了新的科学思路和方法。 以上述新概念为基础，将 迅速形成“太阳等离子体和磁场输出全球结构研究”新领域，该领域主要包括三方面的研究内容：源表面——太阳和太阳风界面的全日面结构、全球结构的形成过程 和行星际表现——三维结构和动力学过程，它们是相互有机联系的一个完整的科学体系。全球结构的研究，既涉及大尺度MHD的宏观过程也涉及小尺度等离子体微 观过程；既有亚声速流动也有超声速、超Alfvén速的非线性波传播；有来自太阳对流层并向外传播的各种可能波模和湍流，也有太阳大气中的瞬变过程；既包 含几分钟至几小时的物质和能量的突然释放，也包含几个卡林顿周、甚至11年太阳活动周变化；既有β等离子体磁场的主导作用，也有高速等离子体流与磁场间的 相互作用；既要寻求一种现实可行的全球结构的三维算法，又要保证各种非线性相互作用和界面计算的稳定性和可靠精度，等等。该领域的形成和建立，将实现空间 物理和太阳物理发生深层次的交叉，成为解决前段所述若干重要国际活跃前沿课题的基石。同时，该研究领域的应用目标是十分明确的，一是对日地行星际空间的 “天气变化”进行预报，二是为日地系统扰动事件提供地球空间系统外部条件和协同预报地球空间环境的变化。所有这些预报，都是以“全球结构”新概念为基础， 从太阳附近实际物理背景出发来进行的。该研究领域对实验观测提出了很高的要求。举例来说，太阳磁场应该有几个高度上的全日面矢量观测，太阳附近的物理状况 应有多波段、不同层次的全日面观测，太阳风速的IPS多点观测，不同日心距离、不同方位的飞船观测，等等。这些观测要求，从本世纪90年代到下世纪初，由 于一系列重大的国际空间计划，如“ISTP”、“STEP”、“Solar Probe"等的实施，近至1.2个太阳半径，远至数十个天文单位并包括太阳极区在内的多波段观测，都将逐步实现。这里，特别值得指出，我国一流太阳磁场 观测将对“全球结构”研究起重要作用，这将是很值得欣慰的事。 因此，太阳等离子体和磁场输出的全球结构研究，将使日地物理真正交流起来并使日地系统耦合过程的定量了解向前迈出关键一步，它是一个亟待开拓和建立的新的研究领域，具有重大的科学意义和应用前景。 这里，我们从空间天气学的角度来看看全球结构研究的重要性。 众所周知，太阳是能量输出易发生变化的天体，特别是它的等离子体和磁场的输出常常发生激烈变化，伴随这种变化，常看到行星际空间和地球空间环境发生激烈的扰 动变化，对人类的航天活动和生存环境产生重要影响，这是自美国天空实验室于70年代上天以来，业已引起空间物理学家、太阳物理学家、地球物理学家以及各国 政治家们和公众所关心的全球变化中的新事实。今天，人类能对地球的天气过程进行监测、研究和预报，为人类谋益。随着空间科学技术的发展，人类能不能对日地 系统的“天气过程”加以监测、研究和预报呢?人类要建立“空间天气学”的愿望，已经走过了近三十年的梦幻般历程，随着80年代日地物理成为系统科学，注重 研究不同空间区域问的耦合过程，到90年代实施规模宏大的空间探测和研究计划(ISTP和STEP等)，人类将第一次近到数个太阳半径去看太阳和对日地系 统作三维实地探测。“空间天气学”作为一门新兴的系统科学，必将在人类跨世纪的步伐中应运而生。这门新学科的生长点是哪些不同学者会有不同的见解，就目前 学科发展的趋势而论，我们认为“太阳等离子体和磁场输出的全球结构研究”这一研究领域将是一个重要的新生长点，基本的分析是这样； (1)它给出空间天气系统的初边值条件，包括太阳等离子体输出的质量、动量和能量流量、磁场以及相关联的太阳电磁辐射和高能粒子发射的全日面信息，后者直接作用于地球大气系统，它们共同决定着整个空间天气系统全球过程的发生、发展和变化； (2) 它决定着地球空间系统外部的初边值条件，从而作为空间天气系统的一个子系统——地球空间系统的“天气过程”(即空间环境变化)将受到重要影响。我们知道， 太阳电磁波辐射，如可见光、X射线、紫外线等对人类天气系统乃至生命系统有着决定性意义，它们的变化规律与太阳等离子体和磁场输出的全球结构紧密相联系， 它们是统一过程的不同发展阶段、不同层次的不同表现。近年来的研究也表明，由源表面全日面分布所决定的日地行星际空间的三维结构及其变化也是制约地球系统 基本耦合过程的重要因素。因此，全球结构研究对地球空间环境变化来说，具有重要的应用意义。 (3)它是由太阳内部和外部大气中的基本过程 所决定，它的研究将带动太阳内部基本物理过程以及太阳大气基本动力学过程的研究，从而对太阳物理和日球物理中的重大科学问题，诸如太阳活动周、活动区、冕 洞、日冕物质抛射、日冕的加热、太阳风等离子体的加速机制以及数值模拟研究方法等，带来重大的突破性进展。 最后提及的是，“太阳等离子体和磁场输出的全球结构”是我国学者根据分析日地物理学发展趋势和综合国内外的研究成果而提出的新概念，并正致力于以此新概念为基础，开拓和建立新的研究领域，为推进“空间天气学”这一跨世纪的新学科诞生，作出自己应有的贡献。
主要参考文献
[1] Report from Workshop 1．Strategy—implementation stud。y for future missions，22--26 January 1990, Bahimore, Maryland，by Space Physics Division office of Space Science and Applications，NASA. [2] An international program for study of：The solar connection with transient interplanetary processes(SOLTIP), 1990—1995(April 1990)． [3] Wei fengsi et a1．Three--dimensional propagation properties of flare--associated interplanetary shock waves from interplanetary scientillation observations．Proceedings of Kunming Workshop on Solar Physics and Interplanetary Travelling Phenomena，Kunming，China 21—25 November，1983，V01．two，p1043. [4] Wei Fengsi，Zhang Jianhong，Huang Suiping．The propagau‘on characteristics of solar flare--associated interplanetary shock waves in the flare--heliospheric current coordinate system．Chinese Journal of Geophysics, 1990, 33(4): 441—450. [5] Wei Fengsi and Dryer M．Propagation of solar flare--associated interplanetary shock waves in the Heiospheric meridional plane．Solar Physics, 1991, 1321373—394. [6] Wei Fengsi．Influence of the heliospheric current sheet on the propagation of flare--associated interplanetary shock waves(invited paper)．Proceedings of the Frist SOLTIP Symposmm, Liblice，, Czechoslovakia，30 September一5 OctOber 1991, V01.1, Invited papers p294，Edited by S Fischer and M Vandas． [7] KaUenrade M B．Neutral line and azimuthal transport of solar energetic particles．J Geophys Res’1993, 98(A4): 5573—5591. [8] Hocksema J T and Scherrer P H．The solar magnetic field 1976 through 1985，Rep UAG-94，Word Data Center A，Boulder Colo，1986． [9] Murray Dryer．SOLTIP project promotes international．Interdisciplinary Research，US STEP Newsletter, 1991, l (4). [10] Kojima M and Kahinuma T.J Geophys Res, 1987, 92: 7269. [11] 张剑虹，魏奉思．日球子午面内背景太阳风流场和磁场的相互作用．中国科学(A辑)，1993，23(4)：427—436. [12] 魏奉思，蔡红昌．太阳风等离子体输出流量的全日面二维结构．中国科学(A辑)，1993，23(8)：968—979. [13] 魏奉思，蔡红昌．太阳活动低年附近等离子体质量、动量和能量全日面输出流量的速度谱分析．科学通报，1992，37(22)：2062—2064． [14] Solar—Terrestrial Energy Progam(1990--1995). International Council of Scientific Union. Scientific Committee On Solar—Terrestrial Physics，April 1990．
