星际旅行的挑战：日球层宇宙线
国家空间科学中心小默2016年01月06日15:35
[摘要]进入太空时代，人类对新的广袤空间面临无限可能，但同时，宇宙中无处不在的射线像“枪林弹雨”般影响着飞行器和宇航员的安全。
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当太阳风暴席卷地球时，地球会有什么影响呢？
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进入二十一世纪以来，探索地球以外的空间蕴藏着史无前例的机会，比如说人类移民到其它星球，小行星采矿，太空旅行，发展太阳能、空间交通技术等等。空间探测和空间旅行等人类空间活动也正如火如荼的开展。当飞行器冲破地球磁场的屏障，行进在行星际空间时，面临最主要的危险或者阻碍即是枪林弹雨般的高能带电粒子。这些高能粒子撞击飞行器，可以破坏其电子设备以及能源装置，影响宇航员的出舱活动，甚至威胁宇航员或者乘客的生命。因此高能粒子可谓人类航天之路的“天荆地棘”。如何预测这些高能粒子成分构成的空间粒子辐射环境，并且减轻甚至规避这些粒子辐射对空间飞行器的危害是科学家和航天工程师们面临的主要挑战。
图1. 日球层中高能粒子分布示意图
来自于空间的各种高能带电粒子以及他们进入大气层中与中性大气碰撞产生的其它高能粒子统称为宇宙线。宇宙线这个术语最初一般指的是银河宇宙线，但是广义上讲日球层中包括三类不同来源的高能粒子：银河宇宙线、异常宇宙线和太阳宇宙线。银河宇宙线起源于太阳系以外的广袤空间；异常宇宙线是日球层顶以外的星际介质进入日球层并得到电离和加速的一类宇宙线；太阳宇宙线也称太阳高能粒子，起源于太阳，被太阳耀斑或者日冕物质抛射驱动的激波加速并在行星际空间传播。
宇宙线起源于银河系、太阳以及其它行星空间，它既是不请自来的宇宙物质样本，也是宇宙起源、天体演化、粒子加速和传播物理过程等信息的携带者。所以有人称宇宙线是宇宙派来的信使；它也是一种微观炮弹，是动摇我们上九天揽月,创夸父逐日般壮举的信心，阻碍人类航天之旅的魔鬼。自汉斯发现宇宙射线以来，科学家们探测宇宙线和萃取其携带的信息的努力就从未中断过。
银河宇宙线：宇宙的信使
银河宇宙线来源太阳系以外，是日球层中能量最高的一类高能粒子。大多数银河宇宙线的速度接近于光速，最强的宇宙线能量大概为150焦耳，相当于一个快速运动的棒球的动能。宇宙线的组成包括以质子为主的各类元素，也包括电子。迄今为止，已经在银河宇宙线中发现了元素周期表上直到锕系的几乎所有的元素。
银河宇宙线在星际介质的加速和传播过程中，原子外层的电子会被全部剥离，剩下原子核和电子。进入行星际太阳系的绝大部分是原子核。因为银河宇宙线是太阳系外直接物质来源，并且包括一些非常稀有的元素，它为我们分析宇宙线的化学演化过程提供了非常重要的信息。
银河宇宙线来自于哪里是人们一直以来很关心的一个科学难题。遗憾的是，迄今为止还没有被证实的确切答案。科学家们普遍认为超新星爆发及其遗迹星云和脉冲星是一种银河宇宙线源。超新星爆发是银河系内最剧烈的高能现象之一。超新星遗迹中存在着大量的高能电子，是宇宙线高能电子的发源地。人们普遍设想超新星爆发及其遗迹也应当产生高能原子核。超新星爆炸激波可以加速宇宙线。
图2. 银河宇宙线的起源示意图
与太阳风融为一体的行星际磁场会使高能粒子运动轨迹发生偏移，从而阻碍宇宙线从日球层以外进入到太阳系领地。但是它们并不能阻止宇宙线前进的步伐。宇宙线最终弥漫在整个日球层中。日球层等离子体环境及其变化则决定了银河宇宙线的传播过程。银河宇宙线的通量也会受太阳活动的调制。我们知道，太阳活动有11年的变化周期，地球或者空间任意位置观测的银河宇宙线的通量因而也会发生类似的周期性变化。在太阳活动极大期间，观测到的宇宙线通量最小，而在太阳活动极小期间，观测到的宇宙线通量则最大。
太阳宇宙线：空间达摩克利斯之剑
太阳宇宙线也称太阳高能粒子，事实上太阳高能粒子这个术语在空间物理界用的更普遍一些。银河宇宙线是日球层中的高能粒子背景；相较而言，太阳宇宙线则更像是伴随太阳风暴的偶发性高能粒子流。在空间或者地面观测到高能粒子的通量在几十分钟至数天内突然增加102-106倍，随后逐渐衰减到背景水平，这种现象称为太阳高能粒子事件。太阳高能粒子事件在太阳活动活跃期发生的频率较高。
在很长一段时间内，人们认为太阳耀斑是太阳高能粒子驱动源。后来射电观测表明有两种不同的粒子加速过程对高能粒子事件的产生有贡献。日冕仪的诞生催生了“日冕物质抛射”这一名词的提出，即太阳活动导致大量的等离子体抛射到行星际空间。日冕物质抛射驱动的激波被发现是除了耀斑物理过程外的另一个杰出的太阳高能粒子加速器。最终我们对太阳高能粒子现有的认识为： 太阳高能粒子既可以归功于太阳耀斑爆发，也可以由日冕物质抛射物驱动的激波加速得到。
图3. 太阳高能粒子示意图
在空间天气预报实践中经常会提到一类可能对行星际旅行造成巨大灾难的高能粒子事件，即太阳质子事件。这类事件代表了大型，具有强危害性的太阳高能粒子事件。太阳质子事件一般与强耀斑和大型日冕物质抛射事件一起同时被观测到。我们知道一般的太阳高能粒子事件产生的质子能量较低，很难穿越地球磁层的屏障，但是对极强太阳质子事件，高能太阳质子能穿透地球磁场，并进入到大气层发生类似于银河宇宙线会经历的所谓广延大气簇射现象，产生高能粒子雨，这类事件我们也称为“地面粒子事件”。飞越极区的飞机在太阳质子事件特别是地面粒子事件发生时会测量到高空辐射增强，非极区的飞机航线受到太阳质子事件冲击的影响远低于极区的航线。
异常宇宙线：日球层的缔造物
异常宇宙线是第三类，也是最晚发现的一类宇宙线。最早于1973年，人们发现在一些成分（He，N，O, Ne）在10MeV/核子的能量处的能谱存在一个隆起状结构。构成此结构的原因即是异常宇宙线的存在。后来在异常宇宙线中也发现H，Ar，C等成分。
在日球层中，太阳风整体沿四面八方向外流动，由于太阳风的高速运动和较强的行星际磁场，低速星际风中热离子成分很难进入日球层中，但是其中的中性成分则可以长驱直入进入到日球层中甚至飞至接近太阳的位置。在行进途中，特别是在大约距离太阳1～3AU处，这些中性原子可以被太阳紫外线照射引起光致电离，或者与太阳质子碰撞交换电荷，这样形成带单个电荷的离子。一旦这些粒子带上电荷变成离子，将受行星际磁场的作用，同时因为其速度比较低，随着向外流动的太阳风会携带它们一起运动，直至到达终止激波。这些离子即是所谓的新生离子，或者称被行星际磁场“拾起”的“拾起离子”。在终止激波出，新生离子可以被加速到1 keV至几十MeV的能量。被加速后的离子最终从终止激波处逃逸，并扩散至内日球层中，被我们创造的探测器观测到。这些高能带电离子即是我们所说的异常宇宙线。图4给出了异常宇宙线上述形成过程的草图。
图4.异常宇宙线的形成过程示意图
异常宇宙线只是代表了局地星际介质样本，他们不像银河宇宙线那样在向行星际空间行进的漫漫征途中被强暴地完全剥离电子外衣。非完全电离的离子成分在宇宙线中显的比较不寻常，这也是它得名如此的原因。现在异常宇宙线特指这些由于新生离子加速得到的较能量的宇宙线。日球层拥有缔造异常宇宙线特性的独特电磁环境，所以异常宇宙线也是我们认识日球层结构以及星际介质性质的重要工具。
