《今天宇宙空間裏的天氣怎麼樣》*劉凱軍*教授演講實錄

          斷電9小時，600萬人受影響，什麼天氣這麼可怕？

        《今天宇宙空間裏的天氣怎麼樣》*劉凱軍*教授演講實錄

   2018年11月12日 10:05 新浪科技綜合 來源：我是科學家iScientist

太陽和地球之間的空間真的是空空蕩蕩的真空嗎？其實這一區域充斥著稱為太陽風的稀薄電離氣體。太陽風從太陽出發，不斷吹拂地球，進而影響人類生活。南方科技大學地球與空間科學系教授劉凱軍說，關心宇宙空間的天氣，也是關心我們人類自己。讓我們一起來領略空間物理的魅力吧。本文根據有意思博物館演講劇場——我是科學家‘宇宙深處，心之所向’現場演講整理。

以下為劉凱軍演講實錄： 

大家好，我叫劉凱軍，來自南方科技大學地球與空間科學系。

我研究的領域是空間物理，跟天體物理研究者們比起來的話，我的“眼界”窄一點，是研究離地球相對更近的太陽系空間——日地空間的一些物理過程。

當時之所以選空間物理這個專業，也是一個美麗的錯誤。我上初中和高中的時候除了物理學得好之外，其他科目學都一塌糊塗，上大學的時候就想學物理。當時選的是北京大學，受當時社會環境的影響，我對航空航太特別感興趣，想成為一名設計火箭衛星的設計師，做一些技術方面的工作。在北大，與“航太”最接近的專業可能就是空間物理了，就選了這個方向。學了幾年之後發現，原來空間物理是研究空間環境的，也就是是火箭和衛星它運行的環境，而非空間技術本身。

說實話，那時候也是失望了很久，但是後來隨著學習深入，逐漸發現空間物理也有很多奧妙、很吸引人的東西，所以就這樣一直走下來了。

我今天演講的題目是《今天宇宙空間裏的天氣怎麼樣》。首先想展示太陽系裏面星體的基本示意圖。

我相信在座的各位都對太陽系裏面八大行星或者九大行星（因為最遠的行星冥王星地位未定）應該都比較熟悉，圖上拖著個尾巴、像個氣團一樣跑的那個是彗星。空間物理研究什麼？我們研究這幅圖裏面黑洞洞的區域，也就是太陽系裏除了星體之外的這塊區域。

也許有人會犯嘀咕：你開玩笑吧，我從中學的時候就知道這個區域是真空，裏面什麼東西都沒有，你天天搗鼓這玩意？今天我就想給大家講，這裏並不是真空的，而是充斥著一種非常稀薄的物質。在太陽系裏，我們稱這種物質為太陽風，而它存在的證據就是彗星。

彗星飛行的時候拖著一個長長的尾巴，很漂亮。我估計很多朋友知道彗星的尾巴是怎麼產生的：彗星有彗核，組成成分主要是冰和塵埃，像是一個很大很髒的雪球，在太陽的照射之下，這個大雪球發生了汽化，當彗星移動的時候把這些氣體拋在了後面形成彗尾。

但是如果仔細看這張圖，會發現除了我們熟悉的白色的、比較明亮的彗尾之外，還有一條藍色的、稍微暗一點的彗尾。這個彗尾是怎麼來的呢？這就要從我們太陽風談起了。

這是美國的一個觀測器觀測的結果。可以看到從太陽表面不斷的噴射出一些流體。我們知道固體受熱之後變成液體，液體受熱之後變成氣體，溫度再繼續升高之後氣體會變成什麼呢？這時溫度特別高，以至於物質原子和分子中的電子就跑掉了，電離形成等離子體。太陽表面溫度就特別的高，物質電離之後形成等離子狀態的流體，從太陽噴射出去。

等離子體狀態的物質並不是太陽系獨有的，整個宇宙空間都充斥著這樣的等離子體。據有些科學家估算，雖然這種等離子體的密度非常的低，可是它的體積龐大，整個宇宙空間裏都充斥著這種稀薄的氣體。統計認為宇宙空間99%的物質都是等離子體狀態。

人類對等離子體並不陌生，我們日常生活中間也充斥了各種等離子體。

比如家用的日光燈管發光的時候，燈管裏面的氣體就處於一種弱放電的等離子狀態；閃電發生的時候造成大氣的擊穿放電，也會產生少量的等離子體；而人類未來能源的主要希望，可控核聚變，也是因為我們還沒有找到有效束縛等離子體的辦法而暫時無法實現——核聚變產生的巨大能量能夠使得周圍的物質處於等離子體狀態，無法有效束縛這些等離子體也就無法實現持續的可控的核聚變。而這一科學挑戰也是當前等離子體物理研究的主要動力之一。

讓我們重新回到空間物理和太陽風。從太陽表面不斷吹出來的等離子體流就是太陽風，當太陽風吹到彗星的時候，發生了什麼呢？

原來，在太陽光的照射下，彗星的冰核不但可以氣化，而且還有一小部分被電離成為等離子體。當太陽風吹到彗星時，兩股等離子體流可以相互作用，以至於彗星的等離子體尾巴被太陽風吹“歪”了，一直背向太陽。可見，這條彗尾的存在給太陽風的存在提供了有力的證據。

太陽風離開太陽之後吹向廣闊的宇宙空間，與太陽系裏的各個天體、行星之間有複雜的相互作用。我們作為人類，肯定更關心它會怎樣影響地球的空間環境，怎樣影響我們自己的生活。大家肯定都知道地球有地磁場，磁場看不見摸不著，但確實存在。

如果在一個磁鐵周圍撒上鐵粉，就會出現一個有意思的形狀。為了形象地展示磁場的特性，人們引入了磁力線的概念，就是沿著鐵粉的分佈形狀畫一些虛線，認為磁場有這樣一個位形。

地球的磁場有這樣一個特殊的形狀，由於太陽風是帶電的，在電磁力的作用之下，太陽風在吹向地球的時候沒法穿越磁場，只能繞著磁場轉，並且在地球的周圍形成一個空腔，我們稱這個空腔為地球的磁層，它是由地球的磁場來主導的。

大家現在都在講情調，太陽風吹著地球的磁場變化就好像風吹過楊柳一樣富有詩意。

當然，像我們平常遇的風一樣，太陽風也是千變萬化的，它的狀態、密度、速度都會有各種各樣的變化。當太陽風發生變化的時候，也會使得地球磁場的位形發生很大的變化。而地球磁場的變化——我們知道變化的磁場可以產生電流——就會對我們日常的生活產生很多影響。

空間物理主要就是去研究太陽的變化會如何影響地球表面的這些變化，也就是我們說的空間天氣。空間物理研究的一個主要目的，就是希望能理解這其中的物理過程，在未來發展出像現在天氣預報一樣的模式，能夠準確地預報今天空間天氣怎麼樣，減少它對我們的生活的影響。

雖然說太陽風離我們很遙遠，但是通過對地球磁場的擾動，可以對我們的生活產生各種各樣的影響。比如對衛星通信、衛星導航的精度都有影響，還對地面的大型高壓輸電線路有影響。1989年的時候，加拿大魁北克省就因為一個很大的空間擾動，我們稱之為空間風暴、太陽風暴或地磁暴，當地輸電線路受到了很大的損害，斷電九個小時，大概有600萬人受到影響。

太陽表面一直向外吹等離子流，也就是太陽風，太陽風經過漫漫征途到達地球，與地球磁場相互作用。因為地球磁場的保護，太陽風無法直接影響人類的生活，但是因為地球的兩極磁場的保護不是特別好，一些等離子體還是可以滲透進來投射到地球兩極的表面，形成極光，非常漂亮。所以除了預測空間天氣這種現實意義之外，空間物理中的的很多現象也是美輪美奐，這也是為什麼經過多年的學習和研究之後，我越來越喜歡空間物理。

生活在地球的人類其實非常幸運，因為我們有地磁場的這樣的保護，但是太陽系裏面的其他星球就不這麼幸運了。比如火星，它的磁場非常微弱，以至於太陽風可以直接吹向火星的表面。這樣的吹蝕，把太火星表面的中性大氣慢慢地吹走了。雖然速率比較緩慢，但是經過上百萬年、上億年的這樣一種吹蝕，火星表面的氣體損失了很多，所以現在火星並不適合生命的存在。現在很多空間科學家在進行這種行星大氣演化的研究，就是為尋找地球之外宜居的星球提供指導。

空間科學、空間物理是探索的科學，過去人類從陸地走向海洋，隨著科技能力的增長，我們開始走向深空。在走向深空的過程中，人類開始關心太陽，關心地球以外的各個行星，木星、土星，甚至天王星，和這些星球的相互作用（就像地球周圍有磁層一樣，這些星球周圍也有磁層）。我們人類非常有雄心壯志，未來必將越走越遠。

正如地球所在的太陽系裏有太陽風，太陽系所存在空間裏面也有星際風。星際風吹向太陽，就像太陽風吹向地球一樣，它在太陽的周圍形成一個空腔，我們稱之為日球層。

上面這張圖跟剛才大家看到地球磁層的形象可能不太一樣，也許有些人覺得中間藍色的圓很漂亮。這是因為內部太陽風速度會快，是超聲速的，當它到達日球層週邊時會減速形成一個激波結構，被叫做終極激波。

這張圖裏面還展示了兩個飛行器，一個是旅行者1號，一個是旅行者2號。它們是1977年由美國發射的，正好跟我同歲，經過41年的漫漫征途，終於從地球飛到了太陽系的邊界，現在正在給研究空間科學的科學家提供第一手的觀測資料——很多空間科學家就是通過研究旅行者1號和2號的觀測資料，來探索這一塊未知的空間到底有什麼特性、有什麼樣的物理過程的。

隨著中國國力的增強，我們也開始有自己的空間探測項目，我的有些同行正在推動一個中國自己的、類似於旅行者1號和2號的探測項目。他們計畫在2049年，我們百年國慶的時候，中國自己的飛行器能夠飛到太陽系的邊緣，來探測空間物理研究的前沿區域。

最後，我想用齊奧爾科夫斯基的一句話來作為總結，因為最早提出航太探索的基本概念，以及作出了火箭動力的奠基性研究，他被稱為人類航太旅行之父。他說，地球是人類的搖籃，但是我們不可能一直生活在搖籃裏面，開始的時候我們會小心翼翼地走出大氣層，然後我們去爭征服整個太陽系，將來我們還會走向更遠的深空。

那麼在出門之前，我們肯定想要問一句：今天，宇宙空間的天氣怎麼樣？

謝謝大家！

         *劉凱軍*教授--地球與空間科學系

1999年畢業於北京大學空間物理學專業，獲學士學位；2002年在北京大學獲碩士學位；2007年在美國康奈爾大學獲理學博士學位。其後分別在芬蘭氣象研究所和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室從事博士後研究，並於2012年獲聘為美國奧本大學物理系助理教授，後於2017年晉升為終身副教授。

2018年夏回國工作，入職南方科技大學。一直從事空間等離子體物理方面的研究，在學術刊物上發表論文四十餘篇。其研究專長是等離子體動力學理論和電腦類比，當前主要研究方向為地球輻射帶中等離子體動力學不穩定性和與之相關的波的激發與粒子散射。

教育背景
2007，空間等離子體物理學博士，康奈爾大學
2002，空間物理學碩士，北京大學
1999，空間物理學學士，北京大學

工作經歷
5/2018至今           教授，南方科技大學地球與空間科學系
8/2017-5/2018      副教授，美國奧本大學物理系
2012-7/2017         助理教授，美國奧本大學物理系
2009-2012            博士後，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室
2007-2008            博士後， 芬蘭氣象研究所