鄭入瑞
2010年04月13日11:05
來源：《科學時報》
1989年3月13日凌晨，素有北美不夜城之稱的加拿大魁北克陷入黑暗之中，而造成這一切的罪魁禍首竟然是50年以來第二強的地磁暴！
上述強磁暴產生了巨大的感生電流，造成電網癱瘓，600萬居民在無電的冬天度過了9小時，直接經濟損失達5億美元。與此同時，日本的通信衛星CS-3B被徹底損壞，美國海軍實驗室的DMSP等46台衛星也出現操作異常，大部分被診斷為衛星的深層充電。
此外，2003年發生的萬聖節磁暴（Halloween Storm），亦嚴重破壞了搭載在包括SOHO以及許多近地軌道衛星上的電子儀器，對經濟、社會和科學活動都造成了巨大損失。
類似的例子不勝枚舉。到底是什麼原因造成了這一系列事故？
近日，北京大學地球與空間科學學院教授宗秋剛研究小組在《地球物理學研究期刊·空間物理學》雜志發表文章，揭示出地球磁層空間中“殺手電子”的產生機制，這也使宗秋剛領銜的研究小組成為首個發現“殺手電子”產生過程步驟和“殺手電子暴”快速形成時間的團隊。
何為“殺手電子”
隨著社會的進步，人類對高科技航天系統的依賴程度越來越高，如今通信、氣象、導航等領域都離不開空間中正常運行的衛星和航天器。“世界各國越來越重視空間的天氣狀態，人類對空間天氣的依賴程度將越來越高。”宗秋剛說。
據悉，地球輻射帶又稱范艾倫帶，是離地球表面2000公裡到64000公裡的區域，它是由大量高能粒子被地球磁場所俘獲形成的環繞地球的一個高能粒子輻射區。這個區域內的高能電子由於其難以被屏蔽的特性，會對人造地球衛星的正常運轉以及宇航員的健康構成致命威脅，所以這些高能電子也通常被稱為“殺手電子”。“致命電子就是束縛在地球外輻射帶中的極高能粒子。外輻射帶距離地球表面12000至64000公裡。在太陽風暴期間，它們的數量會增加至少10倍，並且會部分脫離輻射帶，從而給衛星帶來威脅。”宗秋剛說。致命電子的能量足夠高，以致可以穿透衛星的防護罩，引發微型電火花。如果這樣的放電現象發生在關鍵部件上，衛星就會受到損害，甚至無法工作。
地球輻射帶高能電子通常在地磁暴（地球磁場短期內劇烈變化）期間劇烈增加，這些高能粒子的來源及其加速機制一直是空間天氣學研究的熱點問題。“科學家們一直想弄清楚‘殺手電子’是如何積累足夠的能量在空間中‘橫沖直撞’的。”宗秋剛指出。
破解“殺手電子”產生機制
2007年，宗秋剛研究小組直接觀測到了極低頻波動和電子的共振現象，以《太空殺手電子形成》為題入選美國《發現》雜志2007年度全球百大科學技術與趨勢新聞，排名37位。
“當時仍有很多人將信將疑，因為在我們的工作中，沒看到波對電子的直接加速，也沒看到低頻波動的直接驅動源。”宗秋剛表示。在研究過程中，宗秋剛小組遇到了不少阻力，因為國際上很多人認為“殺手電子”是被甚低頻波（VLF）加速的，甚至可以說這是當時的主流觀點。
宗秋剛介紹，在“殺手電子”研究過程中用到了多達12顆衛星的觀察數據，光是收集這些數據，就要有相當的恆心和決心。其中星座Cluster衛星每兩天左右一個軌道，每一軌道位於內磁層中的時間非常少，又要求在激波到來的時候衛星恰好位於內磁層的向陽面一側，並且星座Cluster衛星上天后已處於太陽活動的下降期，激波數目越來越少。
“最開始我們對能否找到合適的事例沒有信心，很可能我們做了大量的工作以后還是一無所獲。”宗秋剛表示。抱著試試看的想法，宗秋剛小組分析了自星座Cluster衛星發射以來8年間、1500多個軌道的數據。
“幸運的是，我們最終找到了兩個符合條件的觀測事件，就是在我們的文章中所呈現的兩個事例。”宗秋剛喜言。當太陽爆發產生的大尺度激波撞擊地球時，地球磁場會產生大幅度的脈動。宗秋剛團隊首先發現這一現象，這些大幅度的脈動導致地球的磁力線振蕩，使得地球的磁力線就像一根琴弦那樣振蕩，產生超低頻波。而這些超低頻波是駐波，將沿著磁力線運動的電子加速到非常高的速度。這樣使得太陽風的能量能夠傳遞給磁層內的“殺手電子”。“我們團隊的研究工作第一次直接從觀測上和理論上展示了這個‘殺手電子’加速的完整過程。”宗秋剛說。
據宗秋剛介紹，他們發現產生“殺手電子”的過程主要有兩個階段。第一階段的加速是由太陽發出的強行星際激波引起的磁場壓縮的結果，這一階段會產生大量的高速電子作為“種子電子”﹔第二階段是在行星際激波沖擊地球的瞬間，地球磁場磁力線開始在超低頻波段（ULF）顫動，然后，產生的ULF波就可以有效地將第一階段產生的“種子電子”加速為“殺手電子”。“我們還發現‘殺手電子暴’可以在短短的15分鐘內形成。”宗秋剛補充說。
《2012》可能預見成真
電影《2012》曾描述過在2012年間太陽會有強烈的爆發，當然其情節過於夸張。“其創作靈感應該就是來自於科學家們的預測。”宗秋剛說。空間科學界普遍認為，在2012年，不排除有超強的磁暴發生的可能，磁暴的強度可能會比我們研究的磁暴強數倍，“殺手電子”的數量也會猛增。“如果沒有採取必要的保護措施，會有更多的衛星和航天器失靈。”宗秋剛表示。
據了解，太陽活動以11年為一個周期。在極大年期間，太陽表面的活動極為頻繁，會經常發射出強烈的射電和粒子流，對地球空間環境造成沖擊。我們現在正逐步走進太陽活動的極大年。
2008年，美國科學院報告中提到，超級強烈的地磁活動在Dst = -1760nT 條件下也許再次發生，而這一強度磁暴釋放的能量相當於50個廣島原子彈的能量。在這種情況下，處於磁層的大多數或絕大多數衛星將會受到相當程度的破壞，直接經濟損失可能高達2300億美元,而包括地面的總損失可能超過10萬億美元。
作為研究者，應該怎樣對待這一預見呢？“一方面，我們應及時做出預報模型，避免較大的損失﹔另一方面，我們也應該抓住這次機會，利用更多的衛星資料研究‘殺手電子’的性質，力圖在未來把人類遭受的損失降到最小。”宗秋剛說。
科學研究為社會造福
“殺手電子”可能帶來的災難性后果已經不言而喻，所以從機制上弄清“殺手電子”的來源，從而准確及時地預報“殺手電子”的產生，可以有效避免惡劣的空間天氣條件對生產和生活造成的巨大損失，“殺手電子”研究的意義也正在於此。
宗秋剛表示，新的發現有助於進一步開發有關衛星和宇航員工作的輻射帶環境的預報模型，如今太陽活動逐步進入到極大年，未來幾年中越來越多的激波將沖擊到地球磁層，希望能夠對空間天氣的預報有所貢獻。“‘殺手電子暴’的變化特征是空間天氣研究的重要課題﹔深入理解‘殺手電子暴’變化機理，建立‘殺手電子暴’動態模型對保障我國航天活動和航天器安全具有重要意義。”宗秋剛強調。
宗秋剛介紹，他們將做進一步的比較系統研究工作。例如，在激波激發極低頻波動的問題上，以及在極低頻波動如何加速粒子的問題上，做出一些統計工作，並統計這些波動和“殺手電子”的具體關聯，以進一步弄清“殺手電子”產生的具體條件，希望在兩年內有進一步的進展。
http://scitech.people.com.cn/BIG5/11355896.html
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