保卫地球的空间物理学

一百多年前的一个普通的早晨,美国电报公司在波特兰市的操作员像往常一样打开机器,准备开始新一天的工作.前一天夜里,城里的夜空难得一见地被绚烂的极光所笼罩.操作员一边打开机器,一边回味昨夜天边绚烂的彩光带.“谁知道上帝在搞什么鬼?”电报员想.忽然,他发现电报线路里的电流比往常要大很多,一个神奇的想法在电报员的脑子里产生.他用莫斯电码联络线路另一端位于波士顿市的操作员,他们同时断开了线路两端的电源,接下来的事情让他和在波士顿的伙伴都惊呆了：“老天”送来的电流依然可以让电报系统正常工作!他们可以靠着这个不知从何而来的能源准确地收发电报.两位操作员兴奋地工作了一上午,直到那个神秘的电流减弱,消失.

上面这个颇有科幻小说味道的桥段真真切切地地发生在1895年的9月2日.太阳上连续爆发的多个太阳耀斑所驱动的超强太阳风暴袭击了地球.在太阳风暴的吹袭下,地球的地磁场像大地震动那样发生了强烈的扰动,给地球上的人们带来了极光和电报线路中的神秘电流.那时的人们,还不了解种种现象的原因和联系.几十年后,随着人类第一颗人造卫星的发射,人类活动的触角逐渐向太空伸展,也催生了一个叫做“空间物理学”的学科.她的不断发展,逐渐解开了上面故事中种种神秘现象的面纱.

搞什么：了解太空,保卫地球

试想在未来的某天,城市的电力供应中断,陷入一片漆黑,GPS卫星定位不再正常工作,途经南北极的国际航班停飞,为我们转播电视信号、提供天气预报的卫星纷纷损坏甚至陨落.如果像1895年那样的超强太阳风暴再次袭击地球,这将是我们不得不面对的灾难场景.

空间物理学是主要利用空间飞行器直接探测和研究宇宙空间中的物理过程的学科.随着空间科学技术的发展,探测区域由近地空间向外扩展到月球、行星和行星际空间.空间天气学是空间物理学发展最为蓬勃的一个分支,是人们为了解空间环境变化对人类活动影响而未雨绸缪的一门学科,绝大部分的空间物理学研究力量也集中于此.上文所提到的那种灾难,始于太阳上物质和能量的突然释放,形成这些能量和物质对地球各个圈层的影响.空间天气学便致力于研究其中的变化规律,搞清灾难的因果链,研发地球空间环境的预报方法,从而在灾难来临前发出预警,给出避难的建议.在“神舟”“天宫”“嫦娥”等重要航天任务发射前,航天部门都要征询空间天气研究机构的意见,避开空间环境恶劣的时段.飞行器在太空运行的过程中,空间天气研究机构还会严密监视空间环境的变化,在必要时可以让飞行器改变轨道,关闭部分仪器以保证正常工作.

不久前美国航空航天局的科学家们确认了“旅行者1号”飞船已经飞出太阳系,翱翔在太阳系之外的宇宙空间中,这个振奋人心的成果也将空间物理学研究的疆域推进到了更远的地方.作为一门和人类航天活动一同发展起来的学科,空间物理学的研究范围就是人类制造的飞行器所能探索的宇宙空间.目前,除了“旅行者1号”的少量数据,我们对空间的了解还仅限于太阳系之内,这相对于浩瀚的宇宙只是微不足道的一隅,但其中的发现却足以让人兴奋：行星之间的空间并不是真空,而是充斥着从太阳中喷发出来的等离子体、从太阳系外长途跋涉而来的星级物质,其中有着异常丰富的物理现象值得人们探索、研究.

怎么搞：放卫星、钻理论、做模拟

清朝康熙年间的太平县县令陈久陛是个旅游“发烧友”,他认为明代著名“玩家”徐霞客对黄山“天下无山,观止矣”的描述言过其实,于是亲登黄山,爬到始信峰时为美景所折服,在附近的山崖上刻上了“岂有此理,说也不信；真正妙绝,到此方知”的诗句.一百多年后,在地球另一端的美国,一群学者对尤金帕克教授的太阳风理论也产生了类似的怀疑,认为太空中充斥的应该是一些平静的物质,而不是像太阳风那样运动的.他们没有办法效仿陈久陛“飞到那遥远的地方看一看”,于是把探测太阳风的仪器安装在了飞向金星的“海盗2号”飞船上.太空中的探测结果平息了所有的争论,让怀疑帕克教授的学者们“到此方知”.

这是空间物理学发展史上开创性的事件.时至今日,用卫星进行实地探测依然是空间物理学最基本的研究方法.在太阳和地球间,在地球附近的不同位置上、在远离地球的行星际空间都有怎么写作于科学研究的卫星为我们探索那里的奥秘,源源不断地传回那里的观测数据.

观测数据只能让人“知其然”,要“知其所以然”,就需要理论工作者用物理理论和数学方法,对观测数据加以分析,提出现象背后的物理机制.相对于浩瀚的太空,我们现在所拥有的探测卫星只能探测到其中的一小部分.这个盲人摸象的现实使得目前对于大部分空间物理学现象的机制,还没有确定的、没有争论的理论解释,需要后来人不断发展、创造.

可控的实验是科学研究的基本方法,但是除了邪教头子,没有人声称能够帮助空间物理学家让太阳和地球在确定的时间出现科学家所希望的状态,以便验证他们的科学理论.计算机模拟仿真技术的快速发展给科空间物理学家提供了一个“操纵”太阳和地球的机会.像计算机辅助设计飞机、汽车一样,他们可以选定他们感兴趣的区域,给出那个区域的状态,让计算机根据物理理论和数值算法模拟那个区域的演化,从而了解其变化规律.另外,通过数值模拟,科学家可以预测未来一段时间内的空间环境变化,从而在可能到来的灾难前作出预警,使相关部门和社会公众做好准备.

研究生招生人数大于本科毕业生人数

这是个奇怪的现象,每年,空间物理各个招生单位招收研究生的数量要多于这个专业毕业的本科生数量.因此进入这个专业继续学习的研究生有很多都是其他相近专业而来的.以中科院国家空间科学中心为例,每年招收的14名空间物理学专业研究生中,本科是空间物理专业的一般不超过5人.学得早不如学得好,不是“科班”出身的同学在研究生阶段的学习中也能取得很好的成绩.这是因为空间物理学的研究工具是物理和数学的理论,这类专业的同学通过研究生阶段的课程学习能够迅速掌握空间物理学的基础知识.而他们在本科学习中所打下的良好的数理基础,又能使他们在科研工作中获得独到的优势.

本科开设空间物理专业的院校：北京大学、南京大学、中国科学技术大学、武汉大学、山东大学（威海分校）.

研究生设置空间物理专业的院校：北京大学、南京大学、中国科学技术大学、武汉大学、山东大学（威海分校）、中国科学院国家空间科学中心、地质与地球物理研究所,中国极地研究中心,中国电波传播研究所等科研机构,和北京航空航天大学、南昌大学、长沙理工大学、南京信息工程大学.

2012年、2013年空间物理学专业全国各院校分数线

分区：

*A类考生：报考地处一区招生单位的考生.

*B类考生：报考地处二区招生单位的考生.

一区：北京、天津、河北、山西、辽宁、吉林、黑龙江、上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、河南、湖北、湖南、广东、重庆、四川、陕西等21省（市）；

二区：内蒙古、广西、海南、贵州、云南、西藏、甘肃、青海、宁夏、新疆等10省（区）.