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汪景琇：太阳活动和空间天气

2020年08月25日 09:07

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汪景琇中国科学院院士

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太阳光芒万丈，它以无尽的热量，孕育了太阳系，包括地球上智慧的人类。自古以来，人们对太阳的好奇、崇拜以及探索就没有间断过。人类最古老的歌颂太阳的诗歌是古埃及的《亡灵书》。在我们国家歌颂太阳的古代诗歌当中，我最喜欢屈原的《九歌·东君》：

暾将出兮东方，照吾槛兮扶桑。

抚余马兮安驱，夜晈晈兮既明。

驾龙辀兮乘雷，载云旗兮委蛇。

长太息兮将上，心低徊兮顾怀。

羌声色兮娱人，观者憺兮忘归。

……

屈原的《九歌·东君》写得很人性化，他说太阳将从东方升起来了，照耀我的田园和家乡。我驱马慢慢地前行，夜色皎皎，天就要亮了。然后突然一转，说驾着万军雷霆，带着万里云霞，太阳要升起来了。美丽的太阳升起来了，观看日出的人流连忘返。

除了《九歌·东君》这首歌颂太阳的诗歌，屈原还在《天问》里提出了有很多关于太阳的问题：

天何所沓？十二焉分？

日月安属？列星安陈？

出自汤谷，次于蒙汜。

自明及晦，所行几里？

……

羲和之未扬，若华何光？

何所冬暖？何所夏寒？

屈原问道：“日月安属？列星安陈？”，就是日月到底挂在什么地方？像太阳这样的恒星属于哪儿？另外，他还问了一些很有趣的问题，比如“羲和之未扬，若华何光？”，他说给太阳赶车的车夫的鞭子还没有扬起来，在西北的若华林上，就已经看到了绚丽的光彩，这到底是什么原因？我大致猜想，这就是美丽的极光现象。因为即使在夜里，极光也会把大地照得灿如白昼。他还问道：“何所冬暖？何所夏寒？”这说明在那个时候，他已经问到了气候异常的原因：为什么有时候冬天是暖的、夏天却是冷的？

那么，今天的人们对太阳是如何理解的、对上面这些问题是否仍然感兴趣？美国宇航局2014年-2033年的太阳和空间物理发展路线图的主旨，回答了是什么导致了太阳的变化，近地空间、行星际空间和日球怎样响应这些变化，它们对人类有什么影响。另外，美国科学院有一个2013年-2022年的太阳和空间物理十年科学规划，他们给这个规划起了一个名字，叫作“一个技术社会的科学”。十年科学规划的科学目标是：确定太阳活动的起源和预报空间环境的变化，认知太阳与太阳系和星际介质的相互作用，发现和定量描述日球和宇宙中的基本过程……由此我们也可以看到，两千多年前的伟大先哲所提出的问题，今天人们依然在执着地追寻答案。

进入正题之前，我们大致了解一下太阳的相关知识。首先，太阳位于银河系的一个小悬臂上。所以银河系是太阳所在的母星系。太阳到银河系中心的距离是3至4万光年，整个银河系的半径大约是7.5万光年。近年来一些新的研究发现，银河系周边还环绕着亚星系，所以实际上银河系可能要比前面的数字大得多。

在银河系中，太阳的“王国”是指太阳用太阳风和高能粒子，以及太阳磁场所能控制的空间。太阳风所及的地方与银河系、星际介质之间的边界大约有100个AU，即100个日地距离。从太阳向外看，我们会看到水星、金星等“八大行星”和矮行星，然后是小行星带；接着往外看，是日球层边界（在太阳或太阳风的能量与恒星风的能量可以匹敌的地方，即能量基本相等的位置，物质和等离体堆积，形成了一个边界层，这就是日球和太阳风的边界层）；再往外看，是星际介质和奥尔特云等星际介质当中的一些结构；另外，我们还可以看到比邻星，比邻星是离太阳最近的恒星，大约在4光年多的位置。有研究发现，比邻星的一个行星上很可能有类地生命存在。

上图是太阳的结构。日核处于中间位置，这里是产生日核反应、驱动太阳和太阳系能量的地方。它通过两个氢核合并为一个氦核，把多余的质量转化为能量，源源不绝地为太阳提供了自己生命周期当中的所有能量。再往外是辐射区，日核产生的能量是通过辐射的方式向外传播，由于太阳太厚、太重，所以辐射的能量传播到一定距离时，就传播不动了，就像有一面墙把它堵住了一样，这个地方叫作对流层底。由于能量在这里积累，上边的大气，即30%左右的太阳大气，被烧得沸腾起来，所以这个层次叫作“对流层”。对流层再往外就是太阳光球层，这是太阳黑子所在的地方。太阳光球再往外是温度极小区，大约4300℃。然后是太阳色球层、太阳过渡区、日冕（日冕的温度是200万℃）。在日冕里有很剧烈的活动现象，比如耀斑；在日冕中还有一些暗冷的物质，就叫作“日珥”，是很美丽的现象。以上这些太阳结构，大多数在近代以前大家都已经知道了。近代以来，人们又有了一些新发现，比如：人们发现在对流层底有一个旋切层，此处在太阳旋转时有非常大的梯度，即上下两层之间的梯度非常大，所以大家认为这里是太阳磁场所产生的温床。

天文观测是用光谱学的方法。我们是通过从伽玛射线（波长为10-18米）、X射线、紫外线，到可见光、红外线，以及射电波段等的光谱研究，来了解我们的世界、了解我们的宇宙的，对太阳的研究也不例外。目前，对太阳的研究基本覆盖了从伽玛射线到射电波段的全波段。在宇宙对象当中，太阳几乎是唯一一个覆盖全波段观测的天体对象。另外，活动星系核也是覆盖了很多的波段；对一些天体对象，我们只能在局部波段观测到它们。

讲到太阳活动和空间天气，我们还必须提到一个人——黑尔（Hale）。黑尔开创了现代的天体物理学。1897年，物理学家发现了一种被称为塞曼效应的物理过程，即原子在磁场当中发射的光谱，由一条变为了三条。五年后，塞曼被授予诺贝尔物理学奖。十年后，黑尔基于塞曼效应，发现黑子的光谱也是一分为三，说明黑子有很强的磁场。在他之前，所有的天文研究与地质学、地理学一样，是通过记录、观测现象的方法来进行研究。从黑尔开始，人们开始用物理学的方法来诊断、解读我们所观测的天体对象到底是什么。黑尔首开用物理学方法研究天体对象的先河，标志着太阳物理学和天体物理学的诞生。

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现在人们已经了解了许多关于太阳的知识，也掌握了很多太阳的基本物理参数。比如，日地距离是1.496×10¹¹米，相当于光走8.3分钟的距离；太阳的半径约70万公里，是地球半径的109倍；太阳的质量是地球的33万倍；逃逸速度是618公里/秒，假如要扔一个东西到太阳系，速度最小要达到每秒618公里；太阳的平均密度是水的1.4倍；太阳常数在地球轨道处（大气层外）是每平方米1366瓦，太阳常数一百年内变化小于千分之二，地球上的生命之所以能够存在，与太阳这样稳定的辐射有很大的关系；太阳亮度是3.85×10²⁶ 瓦；太阳年龄约为46亿年，它在主序星带上已经生存了46亿年，正处于中年期；太阳的化学组成是70.68%的氢、27.43%的氦以及1.89%的其它元素。　　

以前，人类的活动一直局限在太阳系内，太阳系是人类的家园。20世纪的70年代，美国宇航局发射了两艘空间探测器——旅行者1号和旅行者2号,也就是我们所谓的飞船。根据美国宇航局研究数据显示，“旅行者1号”已经在2012年飞出了太阳系。飞船70年代发射，直到2012年才走出了太阳系，这是一个非常遥远的距离。

下面我从六个方面给大家介绍太阳活动和空间天气。

一、太阳活动及其在行星际空间传播和影响的过程

太阳活动是发生在太阳局部地区的爆发式磁能释放过程，表现为剧烈增长的电磁辐射、高能粒子流和成团磁化等离子体抛射，并以暗条（日珥）爆发、太阳耀斑和日冕物质抛射为主要形式。与地球上的狂风暴雨相类比，人们常以“太阳风暴”通俗地描述太阳活动及其在行星际空间传播和影响的过程。

所谓“太阳风暴”，是以太阳耀斑、日冕物质抛射为代表的太阳爆发及其在行星际的传播和相互作用的过程。与地球上的风暴不同，“太阳风暴”是一种剧烈的电磁风暴。大家知道，地球是中性大气，其能量主要表现为压力梯度、湿热潜能；太阳则不同，其主要为电磁对象，所以太阳风暴是一种电磁风暴。比如电磁武器，就是通过一种电磁能量的爆发来干扰对方的通讯和侦查系统。

空间天气，是由太阳风暴驱动的地球空间环境和行星际综观变化。在远古时代，人们生活并不需要高技术，所以那时候有没有太阳风暴，影响并没有这么大。可是在高度依赖空间技术的今天，空间灾害性天气成为人类面临的自然灾害之一。2016年10月，时任美国总统的奥巴马签署了题为《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》的总统行政命令，要求NASA和国防部、国土安全部、商务部等部门一起，为应对太阳风暴所带来的危害做好准备，并详细规定了各部门的职能，比如哪些部门负责监测、预报、预警，哪些部门负责协调等。

太阳黑子是太阳活动最基本的形式。上图是2014年5月美国大型天文台1.6米NST（New Solar Telescope：新太阳望远镜），在分辨率最高的情况下看到的黑子。

太阳磁场是太阳活动和空间天气的驱动者。太阳的磁场十分复杂，其两极的磁场是开放的。上图中，粉色的磁场代表一个极性，深色的磁场代表一个极性，南北两极的极性正好相反；中间还有许多封闭的磁环、磁圈。我在美国加州理工学院工作时，有一位巴西的同事就曾说过，太阳磁场和太阳纤维就像他儿子的卷发，风一吹来就乱动，简直不知道怎么描述它。

上图是太阳表面视向磁场，其中白色的是正极磁场，代表磁力线离开太阳表面；黑色的是负极磁场，代表磁力线进入太阳。太阳上有很多的双极区，即从正极出来进入负极；还有许多大范围的单极区，即所谓的冕洞。另外，上图箭头所指为23太阳周的超级太阳活动区。

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这是以美国斯坦福大学为主做的一个空间观测。近年来，空间观测进一步发展，如上图：蓝色是正极，磁力线出来；红色是负极，磁力线进去，这些短线把磁力线的走向和位置给展示出来了。在正极和负极磁场相互作用的地方，磁场剪切非常严重，这里既有磁场浮现，又有磁通量消失。

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近年来，国际上对太阳磁场的观测取得了很大的进展，取得了大量资料，比如上图中在一个太阳周的时标内对太阳活动进行的24小时不间断观测。天文学家一直在辛勤地工作，希望通过监测太阳的变化，来预报空间天气的影响。

随着磁场的激烈活动和相互作用，某些地方不停地出现X射线辐射，X射线辐射使局地区域出现剧烈的电磁辐射，就被称为太阳耀斑。

太阳耀斑的能量来自磁场，那么，在没有黑子的地方，太阳是什么样的？上图是我和学生观测到的完全没有黑子的地方。可以看到，太阳表面覆盖着非常小尺度的无所不在的磁场，这些磁场不停地浮现、消失。图中用红色圈起来的地方就是温度高于太阳平均温度的地方；蓝色是温度偏低的地方。所以，太阳磁场的变化会使太阳表面的温度产生变化。

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我们再看看2012年之后美国IRIS卫星观测到的无所不在的小尺度喷流现象。

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这是在紫外波段由IRIS卫星观测的太阳过渡区图像。除了太阳黑子、强耀斑、日冕抛射之外，小尺度太阳活动也无所不在。

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日珥（暗条）爆发是太阳活动中最优美的对象。上图是1946年美国科学家拍摄到的一个边缘日珥的爆发。这个日珥因为太大，被称为“祖父日珥”（Grandpa prominence）。日珥爆发的时候非常壮观，通过太阳表面的弧度也能看出这个日珥很大。

近代观测到的日珥就更漂亮了（如上图）。上图中，我们看到两种对象：一种是浅黄色的，代表百万度高温的结构；另一种是暗红色的，代表几十万度或者几万度的低温。日珥爆发时，从边缘看也是非常漂亮的，爆发时百万度的结构会爆裂，低温物质会被扫荡干净。

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上图是日冕附近的日珥爆发。日珥爆发时，暗物质爆发掉了，其中快速向外扩展的是激波面，即是快磁声波激波。激波刚出来时的速度大概为每秒1000公里左右。日珥物质下落时，其形状发生改变，并且发生物理上的等离子体体抛射现象；日珥物质落到太阳表面时，太阳表面出现第二次的增量，并出现天体物理当中的吸积过程。

上图是用紫外波段观测到的太阳耀斑。从对应的磁场结构可以看到，中间是负极黑子，磁力线是呈附着状向外；黑子快速旋转，大量的磁能通过黑子旋转积累起来，再快速释放出去。

太阳耀斑导致了强烈的日冕物质抛射。日冕物质抛射经常具有持久的南向磁场，与磁层强烈地相互作用，导致磁层亚暴和磁暴。上图中，中间这条白线是太阳，大量的物质从太阳中心向四面八方抛射。一次日冕物质抛射大约要抛射几十亿吨到几百亿吨不等的百万度的高温等离子体。另外，日冕物质抛射之后，大量高能粒子打在其被吸积的表面上，使其不能正常工作。

日冕物质抛射是太阳系内尺度最大、影响最大的太阳活动形式。日冕物质抛射的过程与太阳耀斑也是相互联系的。

下面我们说一下今天的太阳和空间物理学家在做哪些努力、能够做到什么程度。日冕物质抛射到行星际，变为磁云。磁云是什么呢？它就是一团扭缠着的特别乱的磁力线和磁通量，它一直影响我们的地球空间，影响地球磁层。

太阳爆发到底会产生怎样的影响？大家请看上面的动图，它将艺术描述和观测结合起来。图中，太阳爆发出来，化为磁云在行星际传播，撞击地球的磁层顶；然后把太阳的能量注入地球的磁尾，并在磁尾发生一种被称为“磁重联”的过程，把能量带到地球的两极，让两极出现极光。所以，尽管这是一个把观测和艺术描述结合在一起的动画，但是大家却看到了太阳爆发影响地球环境的过程。

太阳活动对象的尺度有多大？热等离子体加速能量是3×10³¹尔格；一个太阳爆发的能量大约是10³²尔格。10³²尔格是什么概念？一个氢弹爆炸的能量是10²³尔格，所以一个太阳爆发的能量，是氢弹爆炸的10亿倍。我有一个同事经常这么讲：一个太阳耀斑的能量是多少？就相当于全世界每人发一个氢弹，然后喊“123”同时引爆。

太阳风暴怎么样影响日地环境？上图中有三个方块，一个是指全波段的电磁辐射影响，一个是高能粒子影响，一个是磁通量和等离体抛射的影响。所以空间物理学家常说，太阳对地球是三轮轮番轰炸。最快的一轮是全波段电磁辐射，8分钟就到地面。所以短波通讯受到的影响最快：如果太阳上有爆发，那么短波收音机或者电视信号马上就会变坏。因为紫外辐射影响了电离层。电离层密度一变化，无线电信号马上就到受影响。第二轮是高能粒子，一般快的需要15分钟左右到达地面，慢的甚至需要一天多才能到达。如果高能粒子需要15分钟到达地球，那么这个高能粒子的速度应该是多少？差不多一半的光速。所以，太阳表面的一次爆发，能够让大量高能粒子在短时间内加速到相对论效应水平。第三轮是磁通量磁化等离体，它以磁云的方式在行星际传播，平均3.14天到达地球轨道，影响地球空间。

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太阳风暴对地球都有哪些影响？首先是影响宇航员。太阳风暴会产生过量的高能粒子辐射，即放射性污染，这会影响宇航员、影响跨越极区的飞行。因为极区没有地球磁场，像漏斗状，当跨越极区的时候，如果有太阳爆发，那么高能粒子会无遮拦地顺着极区的磁穴区就穿过来；而在其他地方，地球磁层把太阳高能粒子屏蔽掉了，所以不管飞机飞得多高都不会受到影响。其次，会使卫星的深层充电、卫星的姿态控制会受影响；使得地球的中层大气向上抬、卫星经历了更多的摩擦，导致翻滚。再次，影响远距离输电、输油。最后，影响通讯。另外，强烈的太阳爆发时，地球紫外线会超标。

那么，为什么远距离的输电和输油会受到影响？因为一个闭合的线圈在磁场中切割磁力线时，会产生感生电流（这就是发电机原理）。输电网、输油管道就是一个很大的线圈，而且地球具有很大的磁场，地球磁场的剧烈变化就相当于切割磁力线，从而会产生非常强的感生电流。感生电流有时候是致命的，它能够使得整个电网瘫痪。

今天的空间物理学界已经具有了初步的能力，来预报太阳活动和剧烈的空间天气。比如卫星发射和返回的时候，如果太阳爆发，特别致命，因为会使得通讯、定位受到影响。对接也是如此，只要差一点就没法对接。所以，测量必须非常精确，地磁场不能有任何扰动。因此，怎样准确预报太阳活动和空间天气成了大问题。

上图我国家神舟九号卫星发射前，国家气象局的预报情况。根据预报情况，他们给出了发射窗口、第一次交会对接窗口、第二次交会对接窗口以及返回窗口，做得很准确。所以，太阳物理学者和空间天体学者，也在通过自己的辛勤研究，为国家和社会作出贡献。

二、最具危害性的太阳活动事件——超强太阳风暴

太阳活动事件中，以超强太阳风暴的影响最具危害性。2017年，美国科学院的一份研究报告显示，如果没有对超强太阳风暴的预报和预警，可能给美国造成2万亿美元的经济损失，美国东海沿岸地区可能会在长达一年的时间内没有电力供应。

讲到超级太阳风暴，不能不提到人类观测的第一个太阳耀斑——卡灵顿事件，它是1859年由英国业余天文学家卡灵顿首先观测到的。同年，另一位英国天文学家霍奇森也看到了这次太阳爆发，并向英国皇家天文学会报告了他的观测结果。

上图是1859年卡灵顿手描的太阳黑子。在黑子本影当中，白光耀斑肉眼可见，即两个半月形的白斑。卡灵顿在自己的庄园里观测太阳的时候，突然发现黑子里边有两个亮斑，他从来没有看到过像这样的东西，于是就想找一个见证人。他赶紧往外跑，可是在庄园里走了一圈，也没有找到人。当他一个人回来的时候，发现白光耀斑已经很弱了。这就是一个非常快速的太阳爆发现象。后来，卡灵顿把这个发现发表在英国皇家学会的年刊上。

那么，卡灵顿事件有什么影响？由于太阳耀斑的原因，电报机感生电流把电报纸都烧着了，拍电报的电报员的手被灼伤。这是人类第一次知道有太阳活动与太阳耀斑。

1860年，有两位地球物理学家发现，强烈的地磁爆与太阳耀斑的时间相合。从这时开始，人们才知道太阳影响着地球，而且是通过一种剧烈的活动影响地球。卡灵顿事件是历史上，迄今为止，最强的太阳爆发事件。根据估算，它比后来用现代的方法观测到的最强的太阳耀斑，还强了3至5倍。所以，人们把它看作百年不遇的剧烈太阳爆发现象。上文中，2017年美国科学院的研究报告，也是针对这类强度的太阳活动事件来说的。遇到这样强的太阳活动事件，如果没有事先预报和规避，它会把美国变为一个发展中国家，美国整个东部会停电一年以上。

上图是上一个太阳周的有名事件——2000年的“巴士底日事件”。巴士底日事件之所以有名，是因为它发生在日冕中心附近，而且发生这一天正好是法国的国庆日，法国人攻占巴士底狱的日子。这一天，北极的极光覆盖了美国的南部地区。极光本来只在北极出现，可是这一天的极光却覆盖了美国，使整个美国的夜间亮如白昼。在这之前的一天，极光把整个东欧和俄罗斯都覆盖了。后来的研究表明，巴士底日事件传播和影响到了几十个天文单位之外，行星两极会出现极光，也就是说，木星、火星都受到影响。

大家看到，木星极区的极光有很多小点，这些是什么呢？是木星的卫星。木星的磁场较强，所以其卫星也具有磁场，凡是有磁场的地方就都有激光。当带电粒子不断与中性原子碰撞时，则中性原子不断电离成电子和阳离子，并发出荧光，就会出现上图的现象。

这是（上图）1989年3月太阳磁场望远镜观测到太阳向量磁场的演化。这是百年来最强的太阳风暴，我国是唯一观测到太阳向量磁场变化的观测站。

1989年3月这次太阳风暴事件，导致了加拿大Hydro-Quebec电力公司5个输电线路中断，造成9450兆瓦电力损失；魁北克600万人停电9个小时；美国新泽西州输电变压器被融化。

这是百年来第二强的太阳风暴——2003年的万圣节事件。左侧是我的学生画出的磁力线结构。这次的空间天气灾害有什么影响？全球范围短波通讯中断，超距雷达、民航通讯中断；电网上感生电流增强，瑞典电网停电1小时；日本EOS卫星丢失；伊拉克战场上美英联军通讯受到影响；GPS和LORAN导航系统出现故障；25颗卫星需要地面操作干涉；SOHO、 GOES、 ACE卫星科学数据丢失。

三、太阳活动的长期变化

太阳活动呈现11年的黑子周期（即通常所说的太阳活动周）和 22年的磁周期（又称黑尔周期，即太阳极区磁场演变的周期）。在每个太阳活动周（即每11年），极区磁场会出现极性反转；每两个太阳周（即22年），极区磁场又恢复到原来的极性。近十几年，太阳活动出现以巨极小和微极大为特征的异常行为。

太阳活动周是极向和环向磁场间的震荡。太阳极向磁场表现为极区磁场，环向磁场表现为以太阳黑子为代表的活动区磁场。上图黑线是极区磁场，即北极的磁场，它从零开始到负极，然后又转为正极，两条蓝线之间是一个完整的周期。南极与北极的极性正好相反，先是正极，然后变为负极，每11年为一个太阳周。所以，极区磁场最小的时候，恰恰是黑子太阳周，也是黑子数最多的时候。

孟德尔极小现象是个很怪的现象，上图是1600年-2000年黑子数的变化。在1655年-1745年这段时间内，太阳上几乎没有黑子；在19世纪30年代，太阳上黑子很少，后人将这段极小期称作孟德尔极小期与道尔顿极小期。我这里列举了两幅油画，一幅是孟德尔极小期间奥地利的画家的图，另一幅是道尔顿极小期间欧洲画家的图。画的是什么地方呢？是泰晤士河。泰晤士河流经伦敦，非常美，但是没有人听说过泰晤士河会结冰。可是在道尔顿极小和孟德尔极小期间的画中，河流是结冰的。

从2005开始，太阳活动变得非常之小：大的活动（红色柱状表述）和超强活动区（绿色柱状表述）都非常小；地磁活动也很小，非常宁静。大家可能会认为，太阳活动危害这么大，宁静不是很好吗？宁静也不行，宁静就意味着太阳磁场很弱；太阳磁场很弱就阻断不了从银河系来的高能粒子。

所以，从上图可以看出，从银河系来的高能粒子在过去十年都超标。另外，这些年由于太阳活动极小，太空垃圾也得不到清理。为什么太阳活动小了，太空垃圾反而堆积、得不到清理？因为在太阳活动剧烈时，地球的中层大气、高密度大气向上抬，抬上去之后就会把垃圾裹挟下来。而如果太阳总是不活动，地球大气的密度变小，也就没有高密度的地球大气将太空垃圾裹挟下来。

在2007年前后，有两位科学家很好地预报了一个异常的极小现象：一位是印度科学院院士Choudhury，另一位是我的学生姜杰。为什么两位学者要做这件事？因为2006年，一位非常有名的美国学者Gilman和他的博士后Dikpata发了一篇文章，说第24太阳周是百年来最强的太阳周。他们的文章发表之后，我正好在日本参加一个学术研讨会议。在与高山天文台的台长（上述两位美国学者的台长）以及一位日本资深太阳物理学家一起吃晚饭的时候，美国台长说，由于Dikpata和Gilman的预报，给美国省了44亿美金。我当时不理解，就请他给我讲讲是怎么回事。美国台长说，空间飞行器和卫星飞船一般都是在前一个太阳周设计。所以，在设计的时候，必须知道其即将飞行时，太阳活动的强弱。如果太阳活动很强，应该多装些燃料，以便于在飞行期间调节其姿态。比如，由于大气的密度增加，阻力增加，所以飞行高度下降，这时候就要想办法让它再飞上去。因为Dikpata和Gilman的预报，美国设计的24太阳周的飞行器，带了很多的燃料。他说，这就使得飞行器不至于因为太阳活动而过早地陨灭。但是恰恰相反，他们的预测不准确，那个时候实际上是百年来最弱的一个太阳周。所以，当时姜杰和Choudhury跟我讨论要做这件事的时候，我非常高兴。虽然我没有做他们的合作者，但是我一直在支持他们做这项研究。科学就是要挑战，Gilman说是百年最强，姜杰和Choudhury说是百年最弱，这就需要把问题找到，找出出现这种差别的原因。最后发觉是由于两组作者对磁扩散的理论处理和物理处理不一样，才导致了这种差异。

四、国内外太阳活动观测研究的进展

过去十几年，对太阳活动及其影响的研究取得重大进展，特别是太阳空间观测取得前所未有的成就，取得超过一个太阳活动周的高时间、高空间和高光谱分辨率和高偏振测量精度的观测，理论和数值模拟研究也取得重要进展，包括以下七个方面：

（一）对太阳磁场和太阳活动超过一个太阳活动周的、连续时间覆盖的全日面空间观测；

（二）实现从太阳到行星际的太阳风暴多视角成像监测；

（三）高时空分辨率多波段太阳大气三维成像观测；

（四）具有一致性偏振测量精度的太阳向量磁场空间观测；

（五）局地日震学揭示太阳内部动力学信息；

（六）实现前所未有的太阳过渡区的空间光谱成像观测(IRIS)；

（七）优于观测分辨率的三维辐射磁流体动力学数值模拟。

彗星进入太阳大气会发生什么？上图中，彗星进入之后，其轨迹发生了变化，日冕的结构也有变化。关于这一方面，还没有很好的研究。

上图是太阳的震荡。我们如果观测太阳，会发觉太阳在不停地震荡。那么，观测太阳的震荡有什么用处？就好比我们去买西瓜一定要拍一拍，目的是通过震荡来听听里面是什么状况。同样，太阳物理学家要知道太阳内部情况如何，尽管不用拍一拍它，但是它自己就在震荡，我们可以找出其震荡的特点。

除了观测之外，现在我们还能利用数学物理方程，把一个黑子怎么产生的演算出来。这意味着我们对黑子物理的理解，基本上是准确的。

太阳物理中存在许多重大基础性问题，比如太阳活动产生的机理、太阳磁场的起源、日冕加热的机理、太阳内部结构和动力学及太阳作为一颗恒星的演化及对太阳系天体和生命过程的影响。另外，主导的物理规律，是复杂系统中的辐射磁流体力学和等离子体物理学。从日核到日冕，密度变化超过22个数量级。

2016年，《自然》上有文章说，40亿年前太阳频繁的剧烈活动，创造了地球上生命繁衍的条件。因为大量高能粒子打出来之后，会使得地球上的元素生产出硝酸盐、氨等其他粒子。这些物质是生命存在的基础。如果未来太阳会变成红巨星，那时整个地球大地会被烤焦，地球上的一系列生命也就不复存在了。因此，科学家有一个很重要的使命，就是继续寻找适合人类居住的类地行星。比如，太阳系中的生命宜居带现在正好在地球，将来会不会往外延，其早期会不会在金星、水星，这些都是未解之谜。2017年，美国宇航局宣布其通过斯皮策（Spitzer）太空望远镜首次发现了七个地球大小的行星围绕一颗恒星运行的行星系统。在七个行星中，有三个位于母恒星附近适合人类居住的区域内，其中一个岩石行星上可能含有液态水。这次发现的行星系统被命名为“特拉比斯特-1”，大家认为这里可能有类地生命存在。

五、人类对太阳活动和空间天气的研究计划

未来，人类对太阳活动和空间天气的空间探测将取得新的重大突破，人类将第一次实现在日冕和日冕物质抛射中实地测量太阳大气的物理参数，包括太阳磁场；与传统的天体物理和空间科学观测相结合，将为认知太阳活动的起源提供决定性的物理量。其中有两个历史性的空间计划：一个是欧洲的太阳轨道飞行器(Solar Orbiter)计划，另一个是美国的帕克太阳探针(Paker Solar Probe)计划。