空间物理学是什么

空间物理学是利用空间飞行器直接探测和研究太空中的物理现象和过程的学科，它是人类进入太空时代之后的产物，是一门年轻的学科。1957年10月4日，前苏联发射了人类第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”（Sputnik 1），标志着人类进入太空时代，美国则于1958年1月31日发射了“探险者1号”（Explorer 1），虽然落后于前苏联，但是探险者1号有一个具有划时代意义的发现——我们地球附近的空间区域中汇集了大量的带电粒子（图1），这个区域叫做范艾伦辐射带，为了纪念它的发现者范艾伦（Van Allen，1914-2004）。辐射带的发现标志着空间物理学的开启，同年美国成立了国家航天局（NASA）。

图1 范艾伦辐射带

空间物理学的研究范围是空间飞行器能够到达的太空区域，目前人类飞的最远的探测器是1977年发射的“旅行者1号”（Voyager 1）和“旅行者2号”（Voyager 2），它们在太空中飞行了40多年，已经到达了太阳系边缘，其中旅行者1号和旅行者2号分别于2012年8月25日和2018年11月5日飞出了日球层顶，而随着人类太空探索技术的进步，空间物理学的研究范围将会朝着更广阔的宇宙空间扩展。

空间物理学的研究意义深远，它不仅能帮助人们预警和预报灾难性空间天气（如太阳爆发引起的地球磁暴），保障太空探索的安全，更是为了探索宇宙空间，实现人类对真理和本质的不懈追求。

太阳爆发

我们的太阳并不是平静的，太阳表面几乎每天都在发生剧烈的太阳爆发事件，像地球上的地震、火山喷发一样，太阳爆发也是一种短时间内释放大量能量的物理过程。

太阳爆发主要分为两大类：太阳耀斑和日冕物质抛射。耀斑（图2）是指太阳表面发生的局部突然增亮，从射电到硬X射线波段的电磁辐射都会增强，持续时间从几十秒到几个小时。在大耀斑期间，紫外线和X射线可增强100倍，一次大耀斑释放的能量高达10^25焦耳，相当于1千亿个广岛原子弹，在太阳活动高年，每天平均有数个耀斑发生。日冕物质抛射是指太阳向行星际空间抛射出大量高速运动的团状物质（图3），一次大的日冕物质抛射可抛出10亿吨物质，速度最高可达2000km/s，抛出的这团物质在太阳附近的尺度经常比行星还大，太阳活动高年每天平均也有数个日冕物质抛射发生。

图2 不同波段下观测到太阳耀斑

图3 日冕物质抛射与行星和冥王星的大小比较

耀斑目前被认为是由太阳大气局部区域中的磁重联过程引起的爆发现象。在磁重联过程中（图4），两条不同方向的磁力线互相靠近，磁力线会断裂并重新连接，磁场被中和，而原先储存在磁场中的能量被突然释放，加速粒子、加热等离子体。日冕物质抛射一般被认为是日冕物质被加热和加速，当其速度超过太阳表面的逃逸速度时，这部分物质被抛射到行星际空间。耀斑和日冕物质抛射在观测上存在一定的相关性，它们可能是同一个物理过程的不同表现，但是目前关于耀斑和日冕物质抛射的关系还没有定论。