太阳风正在剥离火星上层大气。地球也会这样吗？

火星正在失去大气

此刻，太阳风正在剥走火星的大气。每秒大约有100克气体被带走，进入太空。它是一股从太阳向四面八方流出的稀薄粒子流。它从未停止。

这种侵蚀可能让火星成为今天寒冷干燥的世界。而地球每天都处在同一股风中。那么，地球也会这样吗？彗星蓝尾提供线索。

近太阳时，彗星长出发光彗发和长尾。彗星是由冻结气体、岩石和尘埃组成的宇宙雪球，绕着太阳运行。它越靠近太阳，尾巴就越长。一颗明亮彗星可能有两条尾巴，一条淡蓝，笔直指向远离太阳。

无论彗星是向太阳坠落，还是飞回外太空，尾巴都会这样。所以，当彗星离开时，这条尾巴会伸到它的前方。有什么东西一直在从太阳的方向推动这条尾巴。太阳还有第二个奇怪之处。

太阳可见表面的温度约为五千五百摄氏度。但日冕是太阳稀薄的外层大气，温度最高达200万摄氏度。这就像一个房间，离炉子越远反而越热。那么，为什么太阳的大气会比它的表面热这么多？

科学家为此争论数十年，至今仍在争论。什么不断把这条蓝尾推离太阳？

是什么推动彗星的尾巴？

蓝色尾巴是彗星两条尾巴之一，另一条由尘埃组成，被阳光推成背向太阳的柔和弧线。蓝色尾巴由失去电子的气体原子组成，因此带有电荷。这样的带电原子叫作离子，所以这就是离子尾。离子尾直指远离太阳。

这张1987年拍摄的照片显示，从地球看去，威尔逊彗星的离子尾横跨天空约1,100万公里。1951年，德国天文学家路德维希·比尔曼研究了这样的尾巴。他认定阳光推力太弱，无法解释离子尾为何被迅速推开。于是，他提出太阳会持续向外释放一股粒子流。

持续，就是一直不停，不是偶尔发生。当时，一种主流观点认为，太阳只会偶尔爆发，把粒子抛出来。但没有人能解释，太阳为什么会一直把粒子吹出去。

那篇险些被拒绝的论文

1958年，芝加哥大学一名31岁助理教授研究这个问题。他的名字是尤金·帕克。他从假设出发：太阳外层大气极热，远超100万度。现在想想，热会怎样影响气体。

温度衡量的是气体粒子运动的快慢。想象炉上盖着盖的一锅汤。锅盖会压住热蒸汽，把它留在锅里。太阳周围，远处没有东西能提供足够反作用力，把这么热的气体留在原地。

太空没有锅盖。帕克完成了数学推导。结果表明，有一股流动一直向四面八方流出。随着这股流动前进，它会不断加速，直到超过音速。

超过音速就叫超音速。今天，我们把这股流动叫作太阳风。第一个答案是：太阳外层大气太热，引力留不住它，流出的就是太阳风。正是这股风，把彗星的离子尾推离太阳。

但并不是所有人都信服。帕克后来回忆，审稿人叫他先去图书馆学习这门学科，再写论文。但帕克说，审稿人没有指出数学中哪怕一个具体错误。论文又送到第二位审稿人手里，结果大致相同。

期刊编辑是后来获诺奖的天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡。帕克回忆，钱德拉塞卡到办公室问："你真想发表这篇论文吗？"帕克指出，两位审稿人都没有发现实际错误，钱德拉塞卡于是同意发表。多年后，钱德拉塞卡说自己当时也怀疑，但没有真正反对理由，必须发表。

1958年，《天体物理学杂志》发表论文《行星际气体和磁场动力学》。物理学家约瑟夫·张伯伦提出了另一种模型。在他的模型里，太阳大气缓慢蒸发到太空中。张伯伦预计，这些气体到地球轨道时速度约每秒18公里。

轻柔微风，还是超音速风？只能出去测量。

测量太阳风

第一次机会很快来了。1959年，机会来自苏联。月球1号和月球2号搭载康斯坦丁·格林高兹团队的粒子探测器。它们探测到速度超过每秒50公里的带电粒子。但这些探测器无法判断粒子来自哪个方向。

NASA历史时间线仍将首次测量太阳风归功于月球1号。不过，事情还没有定论。1962年，NASA的水手2号飞向金星。它是第一艘成功前往另一颗行星的航天器。

机上仪器由NASA喷气推进实验室的玛西娅·诺伊格鲍尔和康韦·斯奈德负责。仪器发现直接来自太阳、速度约每秒400到700公里的带电气体。这比张伯伦预测的微风快了20多倍。每秒四百公里，环绕地球一周不到两分钟。

水手2号首次测量了太阳风的速度、密度以及组成。帕克简言："太阳风就在那里，全天都在吹。"张伯伦后来把自己的蒸发模型称为"极其不现实"。今天我们知道，太阳风主要由质子和电子组成。

炽热气体的电子脱离原子后，叫等离子体。所以，太阳风就是等离子体，每时每刻都在从太阳向四面八方流出。

比太阳表面更热

帕克的答案归结为一点：太阳拥有极其炽热的外层大气。那么，人们当时是怎么知道它这么热的？还记得日冕吗？它就是太阳的外层大气。日全食时，月球黑盘周围白光就是日冕。

1869年日食时，查尔斯·杨和威廉·哈克尼斯各自在日冕光线中发现异常。他们把光展开成不同颜色后，绿色部分有条无人能解释的谱线。有人认为它来自新元素，称日冕素。这个谜团持续了70多年。

1939年，瓦尔特·格罗特里安提出，日冕中的一条红线来自失去了9个电子的铁。1943年，瑞典物理学家本特·埃德伦将几条日冕谱线对应实验室测量。著名绿线来自失去26个电子中13个的铁原子。要产生这条绿线，气体温度必须接近200万度。

日冕素并不是一种新元素，而是处在非凡环境中的普通铁。1947年，瑞典物理学家汉内斯·阿尔芬估算，日冕温度约为200万开尔文。在这样的温度下，开尔文和摄氏度的数值几乎一样。NASA给出的数字：太阳表面约5500摄氏度，而

日冕最高可达200万摄氏度，核心约为1500万摄氏度。核心产生太阳能量，所以很热合理。按理说，越往外走，温度应该越来越低。但实际情况相反，刚越过表面，温度就跃升了数百倍。

关于这种高温，还有一点要说明。热量不同于温度，是粒子实际传递的能量。日冕的温度极高，但密度却极低。粒子少得可怜，所以它们传递的热量很少。

这有点像烟花棒溅出的火星，非常热，却小到不至于烫伤你的手。

是谁加热了日冕？

那么，日冕为什么会这么热？科学家把这称为日冕加热问题。主要有两个可能原因。第一种是波。太阳表面下方的热气体一直在翻腾。

把太阳磁力线想成一根根长吉他弦。这些翻腾可能会摇动磁力线，把波传入日冕。在那里，波把能量交给带电粒子。这种波叫阿尔芬波，得名于汉内斯·阿尔芬。第二个可能原因是纳耀斑。

耀斑是太阳突然爆发的能量，纳耀斑很小。扭曲的磁力线突然断开，又重新连接时，就会释放能量。这个过程叫磁重联。太阳各处许多小爆发累积，可能产生大量热量。

两种机制可能都发挥了作用。实际问题是：太阳风到地球时已变。缓慢的太阳风大约要四天，才能走完一亿五千万公里。到达地球时，它会在途中混合，失去原有的许多特征。

帕克太阳探测器团队科学家努尔·拉乌阿菲说，他们意识到永远无法就永远无法彻底解决日冕加热问题。于是，NASA决定亲自到那里去。

飞入日冕

2018年8月12日，NASA发射了帕克太阳探测器。这是NASA第一项以在世人士命名的任务。当时91岁的尤金·帕克和团队一起观看了发射。为了生存，探测器在隔热罩后方飞行。

隔热罩正面温度约为1370摄氏度，而后方的仪器保持在约29摄氏度。部分原因，就是我们刚才说的：日冕温度极高，但极其稀薄。2021年4月28日，在第八次近距离飞越期间，探测器首次穿过日冕。NASA宣布，一艘航天器"触碰了太阳"。

它实际穿过的是一道看不见的边界，叫阿尔芬临界面。在这道边界以内，太阳的引力和磁场仍然把大气束缚在原处。越过这道边界后，太阳风移动得太快，波再也无法传回太阳。太阳风挣脱了束缚。你可以把它理解为太阳大气的外缘。

即使在那时，探测器仍位于太阳表面上方约1300万公里处。2024年12月24日，它距太阳表面610万公里以内，比任何人造物体都近。它当时的速度约为每小时69万公里，是人类制造过的最快物体。它多次近距离飞越，2026年9月4日完成第29次。

这项任务已经延长至2029年。WISPR拍下迄今最近距离的太阳风离太阳影像。NASA首席科学家尼基·福克斯说："我们亲眼见证地球空间天气威胁的起点，不只靠模型。"尤金·帕克没能看到这一切。他于2022年3月去世，享年94岁。

那么，这些航天器发现了什么？帕克太阳探测器发现，靠近太阳的太阳风中，磁场会突然出现许多折曲。磁场会急剧弯折，然后像字母S一样弹回去。这些结构叫回折。2022年3月25日，欧洲和NASA运行的太阳轨道飞行器首次拍下其中一个。

它用Metis遮住太阳亮盘，以看见周围暗淡日冕。照片符合模型：通向太空的磁力线与回环落回太阳的磁力线相遇并重联。科学家认为，同一过程可能帮助太阳风加速。太阳轨道飞行器在2020年首批影像中另有发现。

太阳各处都是微小闪光，团队给它们起了个昵称，叫"篝火"。每个规模约为地球所见太阳耀斑的百万分之一至十亿分之一。团队成员弗雷德里克·奥谢尔说，它们"可能是加热太阳日冕的主要贡献"。只是"可能"。还没有人证明这一点。

快速太阳风从日冕中称为日冕洞的暗斑喷出。日冕洞是日冕暗斑，磁场不回环落回太阳，太阳风可直流而出。2023年，斯图尔特·贝尔团队用帕克太阳探测器观察快速太阳风起源附近。他们发现太阳风以小流抵达，间隔像太阳表面

气体上升和下沉形成的巨大细胞，每个细胞宽度约为6万公里。他们认定快速太阳风的能量来自日冕洞底部磁重联归根结底，它来自太阳的磁场。2024年，另一个团队两次捕捉到了同一股太阳风。

2022年2月，帕克太阳探测器在近太阳处测得这股气流。太阳轨道飞行器在更远处、金星轨道附近测到了同一股气流。在这两个位置之间，太阳风中的阿尔芬波损失了能量。他们计算出，波损失的能量足以加热快速太阳风，并让它加速。

但这只是一次事件，其他研究人员指出了这一点。2024年另一项研究未发现日冕内部已有完全形成的回折，因而难确定它们在哪里形成。2023年，欧洲航天局这样总结：日冕如何被加热，"仍然存在很大争议"。

证据逐渐拼合，但日冕加热问题未定论。波和小爆发可能各起部分作用。

快速太阳风、慢速太阳风与螺旋

太阳风离开太阳后，速度并不都一样。来自日冕洞的快速太阳风，速度为每秒500到800公里。在地球轨道附近，慢速太阳风最常见，速度约为每秒400公里。太阳平静时，两个极点上方通常各有一个巨大的日冕洞。

尤利西斯号飞越太阳两极上空，测得那里的快速太阳风平均速度约每秒750公里，赤道附近慢速太阳风约每秒400公里。当快速太阳风追上慢速太阳风时，就会撞入其中。这会形成一个高密度、强磁场的区域，叫共转相互作用区。

当这样的区域扫过地球时，可能引发地磁暴。也就是地球磁场发生扰动，通常规模较小或中等。太阳风还会把太阳的磁场一起带到外面。而太阳会自转，大约每27天转一周。

想象一个旋转的花园洒水器。每一滴水都直线飞出，但整体水流会弯成螺旋。太阳的磁场也会被卷成同样的螺旋。临近地球时，磁力线平均会以大约45度的角度穿过太阳风的路径。帕克1958年理论预言此螺旋，故称帕克螺旋。

环绕太阳系的气泡

那么，太阳风究竟能吹多远？它会越过所有行星，直到撞上恒星之间的稀薄气体。一路上，它在太阳周围吹出一个巨大的气泡，叫作日球层。那里用天文单位量距离。1单位是地日距离，约1.5亿公里。

2004年12月，旅行者1号穿过了终止激波，距离太阳约94个天文单位。那是太阳风顶住外部气体而骤减处。2012年8月25日，旅行者1号在距太阳约122天文单位处穿过日球层顶，即气泡边缘。那里的距离是我们与太阳距离的122倍。

旅行者1号的等离子体仪器1980年停工，无法直接测量太阳风。旅行者2号的仪器还在工作。2018年11月5日，它记录到太阳风速度急剧下降。此后，它完全没有再探测到太阳风流动。

旅行者2号已经飞出太阳风，进入了星际空间。太阳风终点可勾勒太阳系边界。

地球的屏障与极光

现在回到地球，我们每天都处在这股风中。地球有磁场，正是它让指南针指向北方。太阳风挤压地球磁场，形成受保护空间，叫磁层。朝向太阳的一侧，太阳风会把磁层压扁；在夜侧，它则把磁层拉成长长的尾巴。

一种常见说法是，极光来自太阳风粒子直直落入大气层。NOAA，美国气象和海洋机构，解释不同。形成极光的电子，是在地球夜侧那条长尾中获得能量的。它们沿着磁力线，飞速奔向两极地区。

在那里，距地面80到500公里的高空，它们撞上氧和氮，氧和氮随后发出光。太阳风提供能量，却非简单向我们下粒子雨。大型风暴期间，两极周围的极光环会向外扩展，离两极远得多的人也能看见。2024年5月，55国民众向Aurorasaurus提交逾6000条极光报告。

在日本，观星者拍到了不同寻常的洋红色极光。

当太阳风变成风暴

2024年5月的那场风暴，并不是平常的太阳风造成的。有时，日冕会一次性抛出一大片由等离子体和磁场组成的云团。这叫作日冕物质抛射，简称CME。太阳风是稳定风，CME是突发阵风。

最快的CME15到18小时即可到地球。CME撞地会猛烈摇动地球磁场，引发通常更强的地磁暴。NOAA按G1轻微至G5极端评级。1859年9月1日，理查德·卡林顿和理查德·霍奇森看到太阳上闪过一道白光。

那是人类首次在普通白光中观测到太阳耀斑。大约17小时后，一场巨大风暴袭击地球，9月2日和3日，极光布满天空。当时全球约20万公里电报线，多数8小时或更久无法使用。1989年3月13日凌晨2点44分，一场风暴袭击了加拿大魁北克的电网。

不到一分钟，整个电网就瘫痪了。数百万人停电超过9小时。蒙特利尔地铁停运，远至佛罗里达和古巴都能看到极光。魁北克大部在巨大坚硬岩层上，岩石导电很差。风暴期间

穿地电流沿漫长电线走更容易的路。2022年2月3日，SpaceX发射了49颗星链卫星。它们进入最低约210公里的近地轨道。第二天，一场地磁暴加热了高层大气，使它膨胀起来。

更稠密的空气让卫星受到的阻力，比之前的发射最多增加了50%。SpaceX称49颗中最多40颗会坠回烧毁，后追踪到38颗。2024年5月10日，20多年来最强的风暴抵达地球。它获评G5，NOAA最高等级，20多年来首次。

现在人们以空间天气科学家詹妮弗·甘农的名字，把它称为甘农风暴。美国中西部正值播种季时，一些GPS引导拖拉机偏航或停工。堪萨斯州立大学的一项分析估计，依赖GPS导航的农场可能损失了约一万二千到一万七千美元。NASA的ICESat-2卫星自行切换到了保护模式。

2026年10月10日，一股两天前离开太阳的CME抵达地球。当天晚上，NOAA报告称出现了一场G3级，也就是强烈的地磁暴。太阳活动大约每11年经历一个周期，而当前周期在2024年10月达到峰值。2019年，预报员预计峰值会更弱，实际峰值却强得多。

15到60分钟

那么，我们能提前看到风暴来临吗？地日之间有个位置，航天器可与太阳对齐，距地球约150万公里。这叫拉格朗日点1，简称L1。那里的卫星先遇到太阳风。

那里的航天器通常能提前15到60分钟发出预警。NOAA的DSCOVR卫星多年负责，2026年6月换用新卫星。这艘航天器于2025年9月24日发射，现在名为SOLAR-1。2026年6月，它正式投入使用，成为美国第一颗专门监测空间天气的卫星。

它的日冕仪遮住太阳圆面，可30分钟内将CME图像发给预报员。太阳和日球层天文台的图像，最多要八小时才能送到预报员手中。NOAA空间天气预报中心主任克林顿·华莱士说："这让我们有更多行动时间。"

太阳风从火星带走了什么

现在回到我们开头讲到的火星。火星没有全球磁场。因此，太阳风会直接抵达它的高层大气，把带电粒子带走，送入太空。2015年，NASA MAVEN测得这种流失约每秒100克气体。

太阳风暴期间，流失量会显著增加。MAVEN探测器首席科学家布鲁斯·雅科斯基比作每天从收银机偷几枚硬币，久而成多。数十亿年间，这或许解释火星从更湿润世界变为今天寒冷干燥、仅剩稀薄大气的行星。地球会这样失去大气吗？很容易以为磁场保护我们。

但一些科学家并不同意。2018年研究比较测量结果，发现地球、火星和金星大气流失速率相近。金星没有全球磁场，却拥有非常厚的大气层。研究作者认为，单靠磁场不足以保护大气层，

而且在某些情况下，它甚至可能帮助气体从两极附近逃逸。火星也较小，引力较弱，磁场保护或只是部分原因。

那么，太阳风究竟是什么？

那么，太阳风究竟是什么？太阳自身大气太热，无法留在原地，以每秒数百公里向四面八方流出。人类知道它前，它已吹长彗星尾巴。年轻物理学家预言它，两位审稿人拒稿，前往金星的航天器测到它。

它卷成螺旋，吹出越过行星的气泡，点亮我们的天空，还在缓慢剥离火星的大气。它来自比下方表面热数百倍的日冕。科学家仍在弄清其中原因，一艘不断深入日冕的探测器正在帮助他们。下次看到彗星时，留意它那条淡蓝色的尾巴。它指向远离太阳的方向，因为太阳从未停止吹拂。