乐超，北京大学地球与空间科学学院研究员、博士生导师、2019年国家级人才计划入选者。2015年获得美国加州大学洛杉矶分校博士学位，并于同年获得美国宇航局“与星共存”博士后奖金；2018年获得国际无线电联合会青年科学家奖。2019年6月任职于北京大学地球与空间科学学院，主要是从事磁层物理领域的研究工作，包括地球与其他行星磁层中环电流粒子的动力学过程、波粒相互作用等。目前，共发表SCI论文60余篇，其中一作和通讯作者论文25篇，总引用900余次。在2020-2023年期间，担任《地球与行星物理论评》杂志编委；2020-2024年担任美国GEM会议研究组负责人。
太阳风是从太阳爆发活动产生的等离子体风，1995年人类通过美国发射的太阳和太阳圈探测器（Solar and Heliospheric Observatory，简称SOHO）搭载的白光日冕仪第一次直接观测到太阳风的存在。在太阳活动低年，高速太阳风主要来源于高纬的冕洞区域；而在太阳活动高年，高速太阳风既可以从高纬地区产生也可以来自低纬赤道区域。当太阳风经过地球的时候，地球会发生什么变化呢？我们知道地球本身有内禀磁场，这主要是由于地球的液态金属内核在地球自转的过程中产生了涡旋的偶极子场。当太阳风与地球磁场相互作用时（图1），地球的磁场会阻挡太阳风粒子的入侵并在地球周围形成一个空腔结构，被称作地球磁层。在太阳风的作用下，地球磁层向日面被压缩，背日面被拉伸。由于太阳风的密度、速度等参数会随时间不断变化，地球磁层的形状也会随之发生变化。在向日面，根据伯努利方程（方程1），地球磁层的压强与磁鞘中太阳风压强相平衡决定了磁层顶表面的位形。
图1 太阳与地球磁层相互作用示意图 (图片来源: NASA)
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，并释放大量的电磁能量和粒子。太阳爆发主要分为两大类：太阳耀斑和日冕物质抛射。日冕物质抛射（CME）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2左图），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往往比行星还大。耀斑（图2右图）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。
图2日冕物质抛射（左）和太阳耀斑（右）
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。耀斑一般伴随着强烈的电磁辐射，并伴有粒子辐射；而CME主要是抛射磁化的等离子体；大约有一半的CME会伴随太阳耀斑的发生。
太阳爆发会把大量的能量、物质、高能粒子以及电磁辐射注入到行星际空间，当它们传播到地球时，会引起地球空间环境的剧烈扰动，引发灾害性空间天气，如地球磁暴和亚暴，对人类的航空航天活动以及日常生活产生影响，因此国际上非常关注和重视地球磁暴和亚暴的研究工作。
地球磁暴与亚暴
当太阳爆发产生的高速等离子体到达地球时会引起地球磁层发生的全球性变化，这种持续时间约1天的大尺度地球磁场突发性变化称为地球磁暴。主要表现为地磁场的水平分量在一到几个小时内急剧下降而在随后的几天内恢复的过程 （图3）。太阳剧烈活动期间，大量的来自太阳的带电粒子通过磁场重联进入地球空间，被地磁场捕获。地磁场的梯度和曲率漂移导致电子和离子反向绕地球运动，形成环电流。由于太阳活动增强期间被带入到地球磁层的粒子增多，导致环电流增强。环电流产生的磁场与地磁场叠加(反向)，使得地磁场的水平分量发生很大变化。我们用Dst指数来描述磁暴的强度，在地球赤道附近，按大致均匀的经度间隔选取四个地磁台站，这四个台站每小时地磁水平分量强度变化的平均值即为Dst指数。它的单位是纳特斯拉(nT)，其范围可由正几十到负几千纳特斯拉。根据Dst指数的大小，地球磁暴可分为弱磁暴（-50 nT<Dst < -30 nT）、中等强度磁暴（-100 nT<Dst< -50 nT）、强磁暴（-300 nT<Dst< -100 nT）和超强磁暴（Dst< -300 nT）。磁暴的发生与太阳活动紧密相关，平均一个太阳活动周能发生2-3个超强磁暴。同时磁暴的发生也有很强的季节效应，春分和秋分点更容易发生大的磁暴。
图3 磁暴发展过程中地磁变化记录，摘自Burton et al., 1975
磁层亚暴是地磁场持续时间为分钟到两三个小时的扰动，是存储在磁尾的太阳风能量瞬时的释放引起的。平均一天出现4~5次，每次释放相当一个中等地震的能量。当南向的行星际磁场与日侧地磁场重联，能量从太阳风传播到磁尾，导致磁尾拉长和中性片变薄，跨越中性片发生磁重联，磁场偶极化使粒子被加速，沿磁力线注入内磁层和电离层，并撞击高层大气里的气体分子和原子，产生极光。亚暴的强度通过极光电集流（AE）指数来描述（图4），通过高纬极区12个地磁台站地磁场水平分量的扰动观测，定义东向电集流（AU）指数为12个观测台站地磁场扰动的上包络，西向电集流（AL）指数为12个观测台站地磁场扰动的下包络，AE指数是AU指数和AL指数的差值。根据AE指数的大小，亚暴可以弱亚暴（300 nT<AE<500 nT）、中等强度亚暴（500 nT< AE< 1000 nT）、强亚暴（1000 nT<AE<2500 nT）以及超强亚暴（AE> 2500 nT）。亚暴的发生同样与太阳活动紧密相关，太阳活动高年亚暴活动更加频繁。同时亚暴的发生也有季节效应（图 5），强的亚暴更多地发生在春分和秋分点。
图4 亚暴AE、AU和AL指数的定义
图5 亚暴发生率的季节效应，摘自Fu & Yue et al., 2021
空间天气效应
空间天气是指瞬时或短时间内太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层的状态。它们的状态可影响空间和地面技术系统的性能和可靠性，危及人类的生命和健康。恶劣的空间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输电送网络的崩溃，造成各方面的社会经济损失。在我们的太阳系内，空间天气主要受太阳风的风速密度、以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者的影响。地球磁暴和亚暴带来的空间天气效应主要包括以下几个方面（图6）：
图6 地球磁暴和亚暴的空间天气效应总结归纳图（来源：the U.K. Meteorological Office）
（1）航天器带电和故障---对航天器的效应
磁暴期间磁层顶可能会位于地球同步轨道高度以内，导致同步轨道卫星暴露在太阳风中，从而失去地磁场的保护；当地磁场扰动时，磁场方向和大小的改变会使卫星姿态发生变化，导致通信卫星无法正常通信，气象卫星、军事卫星也无法监测地球；同时磁暴期间高能电子通量增强，造成卫星深层充电，从而引发卫星故障。
（2）高层大气加热---对近地环境的效应
地球磁暴和亚暴期间大量能量电子沉降到大气层，导致大气加热而膨胀，大气密度陡增，大气阻力增大，从而使得航天器偏离预计航道，甚至提前掉入低层大气而陨落。
（3）对输电线路的破坏---在地面的效应
磁暴期间地磁场的剧烈变化会在土壤电阻率高的地区产生每公里几伏特到十几伏特、持续时间从几分钟到几小时的地面电势（Earth Surface Potential，ESP）。而在高压、超高压输电系统中，由于电网变压器中性点直接接地，所以ESP会在东西走向、长距离输电线路与大地构成的回路中产生地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents, GIC）损害大型变压器，缩短其使用寿命，极端情况下会使其烧毁。
（4）对宇航员的辐射损害---对载人航天的效应
地球磁暴和亚暴期间沉降的大量高能粒子可穿透太空舱和宇航服，引起航天员身体器官的物理损伤。人体受到高剂量的高能粒子辐射会引起皮肤、骨髓等器官的急性损伤，诱发细胞产生变异，严重时会危及生命。
（5）通讯受到干扰甚至中断---对电离层的效应
电离层对太阳爆发活动的反应非常灵敏，太阳电磁辐射和粒子辐射的增强会引起的电离层状态变化。太阳耀斑发出的X射线暴使向阳面D区的电离密度急剧增加，短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断。从而导致卫星通信受影响，卫星导航精度也会下降。
结语
空间物理学主要研究太阳系中特别是日地空间中的现象与规律，研究空间环境及其对人类空间活动和生态环境的影响。研究对象主要包括太阳、行星际空间、地球和行星的大气层、电离层、磁层等。空间灾害性天气对航空、航天、通信、供电、输油、国防等部门会造成严重损失，希望更多的年轻人加入空间物理学的研究，实现对空间天气的准确预报，从而减小甚至避免由于空间灾害性天气对人类活动造成的危害。
问答部分
1.为什么太阳风一般分为高速风和低速风，而很少说中速风？
答：太阳风中的高速风与低速风是根据正常太阳风速度来定义的。正常的太阳风速度是400公里/每秒，那么低于400公里/秒的太阳风，比如250公里/秒，我们认为它是低速太阳风，那么高于400公里/秒，比如600公里/秒，我们认为它是高速太阳风，中速风就是正常范围在400公里/每秒左右的太阳风了。
2.太阳风的起源在哪里？
答：由于太阳内部各种形式的核反应，大量的粒子被加热加速离开太阳表面，逃逸到行星际空间形成太阳风。
3.日冕物质抛射含有多少质量？太阳会因此变小吗？
答：日冕物质抛射大概亿吨量级，但是太阳的质量是2 1030kg，因此日冕物质抛射的质量基本可以忽略不计。
4.动画中的磁场重联都在一个点，这个点有多大？
答：磁场重联其实是一个区域，根据不同带电粒子的回旋半径不同，磁场重联有电子尺度的重联与离子尺度的重联。
5.磁暴的磁场怎样产生的？
答：磁暴期间环电流粒子增多、环电流增强，在近地空间形成了与地球本身的地磁场方向相反的磁场扰动。
