宇阳道人真言：浅谈“天地”的意思，天者道也，道者宇宙之机也，天有多重意思，第一：它代表大道，也代表银河系，同时也是太阳系，还包括其他星系，它是万物运行的规律，好比地球围绕太阳转动，这个运转它代表天道的规律，它从诞生开始一直维持这个大道规律运行至今不变，第二：它代表天帝，主宰宇宙万灵，创造宇宙万物，第三：它代表父亲、长辈、师父，能给与你教育、启示，帮助你成长的人。
地：代表地球，代表地母、母亲、姑妈、姨娘，也代表地域、万物的载体，它承载、培育着人、动植物，万物生灵都在这个广阔的地球地域上生长发育起来，世世代代，川流不息。
地：代表地球，代表地母、母亲、姑妈、姨娘，也代表地域、万物的载体，它承载、培育着人、动植物，万物生灵都在这个广阔的地球地域上生长发育起来，世世代代，川流不息。
#中国人首次进入自己的空间站# 【未来，中国空间站将成为怎样的“太空科研站”？】2021年7月23日，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）采访了中国载人航天工程空间应用系统总指挥、中国科学院空间应用工程与技术中心主任、国际宇航科学院院士高铭。
“空间应用系统”负责中国空间站工程中的“科学”部分，是空间站中科学研究项目的主要规划和组织者。
从1994年开始，高铭就服务于中国载人航天的应用系统，从神舟系列载人飞船到中国空间站建设，她几乎参与了中国载人航天事业发展的全过程。在这次访谈中，她对中国空间站的科学目标、计划与愿景做了全方位的介绍与展望。
前人经验：和平号与国际空间站的科研实践
NSR：过去几十年中，各国科学家在和平号空间站、国际空间站上进行过几千项实验。主要是哪些实验？取得了什么重要成果？
高铭：和平号空间站从开始建造到最终坠毁，有15年的时间，根据官方的数据，有100多位航天员在和平号空间站工作过，总共进行了1700多项实验。
苏联利用和平号空间站在人体与生命科学研究、材料科学、地球观测等方面做了很多工作，在生物制药、新材料制备、矿产资源探测等方面也取得了一些重要成果。
国际空间站上开展的实验更多，覆盖学科领域更广，包括人体研究与生命科学研究、微重力物理科学、天文观测、地球观测，以及新技术开发验证等等，迄今已开展了3600多项研究，发表了3000多篇高水平论文并申请了大批专利，部分科技成果已经在地面获得了广泛应用。
具体来讲，国际空间站在生命体对微重力环境的响应机理、冷焰燃烧、玻色-爱因斯坦凝聚、暗物质探测等方面取得了一些重要科学发现；在太空3D打印、空间机器人、天地激光通信等空间技术方面取得了重要突破；在靶向药物和骨质疏松等药物研发、合成肌肉等新材料制备、地球二氧化碳含量测量等方面取得了重要进展并获得地面应用。国际空间站的研究及结果为我国空间站的科学研究规划提供了很好的参考。
NSR：我想这些实验至少可以在三个方面造福人类：一是帮助我们理解基础的物理学和宇宙学规律，二是通过生物医学、材料学等研究提升人类在地球上的生活质量，三是为人类未来走向深空而做一些知识和技术上的储备。
高铭：太空活动包括空间科学探索、空间技术开发和空间应用三个方面，而科学、技术和应用这三个方面是紧密联系、相辅相成的。
空间科学探索要着力研究宇宙起源与演化、物质本质规律等重大科学问题，取得新的科学发现，这不仅会加深我们对世界的理解和认知，还会推动相关技术进步。例如冷焰燃烧的发现将有助于我们改进燃油发动机设计、降低污染物排放。
空间技术开发的直接目标是增强太空探索活动能力，与此同时，技术成果也可应用于地面，改善人类的生活质量。例如，天地激光通信技术可以为建立全球高速通信网奠定基础。
空间应用是开展直接服务于地面应用的太空活动。例如，空间对地观测在全球气候变化监测、海洋和陆地环境保护等方面发挥了重要作用。
图片
中国空间站（CSS）与中国空间站工程巡天望远镜（CSST）的设计效果图（供图：中国科学院空间应用工程与技术中心）
中国空间站的科学理想
NSR：中国空间站规划了哪些科学研究？
高铭：在我们的整体规划中，在空间站的舱内会有超过20个实验柜；在三个舱段的外侧，会有3个大型载荷挂点和2个舱外暴露平台；此外，中国空间站工程巡天望远镜（CSST）将于2024年发射升空，它会与空间站保持一定的距离，共轨独立飞行，但是每隔两到三年，或者在需要的时候，它会停靠在空间站上，由航天员进行维护和升级。
我国空间站在空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学，以及空间新技术与应用等4个重要领域制定了系统的、长期的规划，将研制一大批科学研究设施，支持在轨开展1000余项研究项目。
空间生命科学与人体研究要深入研究空间环境各因素对生命体细胞、组织、器官等各层次的影响与作用机理，探索认知生命体太空生长发育与繁衍规律及人类太空长期生存面临的健康保障问题，并利用空间特殊环境发展创新的药物和医疗技术。
微重力物理科学主要研究物质运动的本质规律，建立空间高精度时间频率系统，进行广义相对论高精度检验、全球重力位测量等研究；实现100 pK超低温玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），开展极端条件下超冷原子物理、低温量子相变等基础前沿实验；开展多相流与相变传热、基础燃烧特性与机理、新材料空间制备等研究及应用。
天文与地球科学领域利用巡天光学望远镜、高能宇宙辐射探测设施等天文观测设施，开展长期深入的天文观测研究，研究暗物质与暗能量、宇宙线起源、宇宙形成与早期演化等重大问题；着眼全球气候变化等关系人类社会可持续发展，发展对地观测新技术和新体制。
空间新技术与应用领域要发展在轨制造与建造、空间机器人与自主系统、空间信息及精密测量等空间新技术，提升人类探索、开发与利用太空的能力。
NSR：这些项目是如何规划、确定的？是自顶向下的设计，还是自底向上的征集？
高铭：空间应用项目的规划采取了自顶向下和自底向上相结合的方式。我们首先建立了各个领域的专家组，通过专家组提议、研讨和设计提出顶层规划，再按照顶层规划广泛征集项目建议。
这些项目建议通过科学评估后，通过整合、凝练、提升，形成一系列研究计划。然后进行工程可实现性论证，通过反复讨论与迭代，形成空间站应用任务总体规划和工程实施方案。
空间站应用项目采取滚动征集、遴选和实施的机制。每两至三年按照规划进行一次项目征集，通过遴选的项目进入项目池，根据工程可实现性分别进入预先研究和工程立项阶段。通过预先研究，培育项目的实验方案和实验技术、优选实验样品，确保高质量项目在轨实施。
NSR：我国正在建设一个面向空间站的地面实验基地，可以进行您所说的项目前期培育。这个基地的建设情况如何？
高铭：这个地面实验基地位于怀柔科学城，目前已经基本建设完成，预计在年底投入使用。空间站地面实验基地非常重要，不仅可以开展前期的项目培育，在空间研究的前、中、后期都可发挥重要作用。
在项目上天之前，需要开展大量的地面实验来验证实验方案在空间中是否可行。地面实验基地通过提供与空间站环境类似的实验条件，使科学家们能够验证实验方法，确保未来的空间实验能够顺利开展。在空间实验进行过程中，实验基地可支持开展天地比对实验。在空间实验之后，实验基地可支持开展后续研究，以获得研究成果。
空间站和地面实验基地将形成一个天地协同的开放系统，为空间科学研究提供最好的实验条件。
NSR：“问天”和“梦天”这两个实验舱的建造进度如何？
高铭：我们计划在明年6月底前发射实验舱I“问天”，9月底前发射实验舱II“梦天”，届时，空间站组合体将建造完成。未来如果有需要，也可在这个基础上进行适当扩展。
NSR：首批三位航天员已经进入“天和”核心舱一个多月了，他们开始参与实验工作了吗？
高铭：首批航天员已经辅助开展了一些测试试验，例如高微重力实验柜实验装置的测试。我们在核心舱中安排了无容器材料科学实验柜和高微重力实验柜，未来航天员还将参与无容器材料科学实验的样品更换，以及高微重力实验项目的更多科学实验。
NSR：之后会有科学家进入空间站工作吗？
高铭：会的。在空间站中的航天员主要有三类，一类是航天驾驶员，一类是航天飞行工程师，还有一类是有科学研究背景的载荷专家。
首批三位航天员在科学实验方面可以进行一些人机协同的操作，包括我们之前说的更换样品、实验操作等。此外，他们还会作为工程师，承担一部分仪器维护、维修的工作。而且，他们还需要开展舱外操作，包括舱外设备安装与维护、巡天望远镜的维护等。
而载荷专家的工作主要就是科学研究，他们有空间实验相关的科学背景，可以根据空间实验条件和实验结果来灵活地调整实验设计，在空间站中更好地掌握实验进程。我国目前已经选拔了4位具有不同学科背景的载荷专家，正在航天员中心接受训练，会在空间站进入运营阶段之后陆续开始工作。
国际合作与未来规划
NSR：我国空间站会接收外国的航天员吗？
高铭：原则上是可以的。我国的载人航天一直都保持着对外开放、合作共赢的基本原则，愿意和其他国家进行合作。目前，已经有一些国家表达了这方面的需求，希望能在我们的空间站上继续进行空间科学研究。
NSR：中国空间站的国际合作情况如何？
高铭：我国的航天领域和欧空局、德宇航、意大利空间局等都有长期的合作关系。
之前在神舟八号飞船上，我们和德宇航进行了一次非常成功的合作，两国的科学家共同使用一个生物培养箱，进行了6项德方的实验、10项中方的实验，以及1项双方合作的研究。
现在的中国空间站项目中，我们和欧空局有10个合作项目正在进行，中欧科学家会利用双方的空间资源共同进行合作项目的空间研究。
2018年，我们和联合国外空司合作，公布了我国空间站的应用设施和资源条件，并向全世界科学家征集科研项目。我们收到了来自27个国家的42份项目申请，从中遴选出了第一批共9个国际合作项目，目前均已签署了合作协议。未来，与国内的项目征集类似，我们也会每两到三年滚动式地向国际征集新项目建议。
NSR：中国载人航天后续有哪些计划？
高铭：首先，我国空间站将运行十年以上，可以工作到2035年左右。与此同时，我们正在持续开展载人月球探测方案的深化论证，相关研究工作正稳步推进，不远的将来将会实现载人登月，长远的目标是建立月球基地。当然，在更加遥远的未来，我们也希望能将载人空间探测推向更加遥远的深空。
NSR：对于中国载人航天的未来发展，您有什么建议？
高铭：从上个世纪90年代开始，中国的载人航天工程已经有将近30年的发展历程。在这期间，我们形成了一套非常完整的工程组织管理和技术质量管理体系。
我认为在未来我们要更加注重科学问题导向，工程实现的过程要更加符合科学规律，以更好地获取科学成果。空间站已经到了应用的阶段，空间科学研究的价值和引领作用也会越来越得到重视。https://t.cn/A6MZetor
“空间应用系统”负责中国空间站工程中的“科学”部分，是空间站中科学研究项目的主要规划和组织者。
从1994年开始，高铭就服务于中国载人航天的应用系统，从神舟系列载人飞船到中国空间站建设，她几乎参与了中国载人航天事业发展的全过程。在这次访谈中，她对中国空间站的科学目标、计划与愿景做了全方位的介绍与展望。
前人经验：和平号与国际空间站的科研实践
NSR：过去几十年中，各国科学家在和平号空间站、国际空间站上进行过几千项实验。主要是哪些实验？取得了什么重要成果？
高铭：和平号空间站从开始建造到最终坠毁，有15年的时间，根据官方的数据，有100多位航天员在和平号空间站工作过，总共进行了1700多项实验。
苏联利用和平号空间站在人体与生命科学研究、材料科学、地球观测等方面做了很多工作，在生物制药、新材料制备、矿产资源探测等方面也取得了一些重要成果。
国际空间站上开展的实验更多，覆盖学科领域更广，包括人体研究与生命科学研究、微重力物理科学、天文观测、地球观测，以及新技术开发验证等等，迄今已开展了3600多项研究，发表了3000多篇高水平论文并申请了大批专利，部分科技成果已经在地面获得了广泛应用。
具体来讲，国际空间站在生命体对微重力环境的响应机理、冷焰燃烧、玻色-爱因斯坦凝聚、暗物质探测等方面取得了一些重要科学发现；在太空3D打印、空间机器人、天地激光通信等空间技术方面取得了重要突破；在靶向药物和骨质疏松等药物研发、合成肌肉等新材料制备、地球二氧化碳含量测量等方面取得了重要进展并获得地面应用。国际空间站的研究及结果为我国空间站的科学研究规划提供了很好的参考。
NSR：我想这些实验至少可以在三个方面造福人类：一是帮助我们理解基础的物理学和宇宙学规律，二是通过生物医学、材料学等研究提升人类在地球上的生活质量，三是为人类未来走向深空而做一些知识和技术上的储备。
高铭：太空活动包括空间科学探索、空间技术开发和空间应用三个方面，而科学、技术和应用这三个方面是紧密联系、相辅相成的。
空间科学探索要着力研究宇宙起源与演化、物质本质规律等重大科学问题，取得新的科学发现，这不仅会加深我们对世界的理解和认知，还会推动相关技术进步。例如冷焰燃烧的发现将有助于我们改进燃油发动机设计、降低污染物排放。
空间技术开发的直接目标是增强太空探索活动能力，与此同时，技术成果也可应用于地面，改善人类的生活质量。例如，天地激光通信技术可以为建立全球高速通信网奠定基础。
空间应用是开展直接服务于地面应用的太空活动。例如，空间对地观测在全球气候变化监测、海洋和陆地环境保护等方面发挥了重要作用。
图片
中国空间站（CSS）与中国空间站工程巡天望远镜（CSST）的设计效果图（供图：中国科学院空间应用工程与技术中心）
中国空间站的科学理想
NSR：中国空间站规划了哪些科学研究？
高铭：在我们的整体规划中，在空间站的舱内会有超过20个实验柜；在三个舱段的外侧，会有3个大型载荷挂点和2个舱外暴露平台；此外，中国空间站工程巡天望远镜（CSST）将于2024年发射升空，它会与空间站保持一定的距离，共轨独立飞行，但是每隔两到三年，或者在需要的时候，它会停靠在空间站上，由航天员进行维护和升级。
我国空间站在空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学，以及空间新技术与应用等4个重要领域制定了系统的、长期的规划，将研制一大批科学研究设施，支持在轨开展1000余项研究项目。
空间生命科学与人体研究要深入研究空间环境各因素对生命体细胞、组织、器官等各层次的影响与作用机理，探索认知生命体太空生长发育与繁衍规律及人类太空长期生存面临的健康保障问题，并利用空间特殊环境发展创新的药物和医疗技术。
微重力物理科学主要研究物质运动的本质规律，建立空间高精度时间频率系统，进行广义相对论高精度检验、全球重力位测量等研究；实现100 pK超低温玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），开展极端条件下超冷原子物理、低温量子相变等基础前沿实验；开展多相流与相变传热、基础燃烧特性与机理、新材料空间制备等研究及应用。
天文与地球科学领域利用巡天光学望远镜、高能宇宙辐射探测设施等天文观测设施，开展长期深入的天文观测研究，研究暗物质与暗能量、宇宙线起源、宇宙形成与早期演化等重大问题；着眼全球气候变化等关系人类社会可持续发展，发展对地观测新技术和新体制。
空间新技术与应用领域要发展在轨制造与建造、空间机器人与自主系统、空间信息及精密测量等空间新技术，提升人类探索、开发与利用太空的能力。
NSR：这些项目是如何规划、确定的？是自顶向下的设计，还是自底向上的征集？
高铭：空间应用项目的规划采取了自顶向下和自底向上相结合的方式。我们首先建立了各个领域的专家组，通过专家组提议、研讨和设计提出顶层规划，再按照顶层规划广泛征集项目建议。
这些项目建议通过科学评估后，通过整合、凝练、提升，形成一系列研究计划。然后进行工程可实现性论证，通过反复讨论与迭代，形成空间站应用任务总体规划和工程实施方案。
空间站应用项目采取滚动征集、遴选和实施的机制。每两至三年按照规划进行一次项目征集，通过遴选的项目进入项目池，根据工程可实现性分别进入预先研究和工程立项阶段。通过预先研究，培育项目的实验方案和实验技术、优选实验样品，确保高质量项目在轨实施。
NSR：我国正在建设一个面向空间站的地面实验基地，可以进行您所说的项目前期培育。这个基地的建设情况如何？
高铭：这个地面实验基地位于怀柔科学城，目前已经基本建设完成，预计在年底投入使用。空间站地面实验基地非常重要，不仅可以开展前期的项目培育，在空间研究的前、中、后期都可发挥重要作用。
在项目上天之前，需要开展大量的地面实验来验证实验方案在空间中是否可行。地面实验基地通过提供与空间站环境类似的实验条件，使科学家们能够验证实验方法，确保未来的空间实验能够顺利开展。在空间实验进行过程中，实验基地可支持开展天地比对实验。在空间实验之后，实验基地可支持开展后续研究，以获得研究成果。
空间站和地面实验基地将形成一个天地协同的开放系统，为空间科学研究提供最好的实验条件。
NSR：“问天”和“梦天”这两个实验舱的建造进度如何？
高铭：我们计划在明年6月底前发射实验舱I“问天”，9月底前发射实验舱II“梦天”，届时，空间站组合体将建造完成。未来如果有需要，也可在这个基础上进行适当扩展。
NSR：首批三位航天员已经进入“天和”核心舱一个多月了，他们开始参与实验工作了吗？
高铭：首批航天员已经辅助开展了一些测试试验，例如高微重力实验柜实验装置的测试。我们在核心舱中安排了无容器材料科学实验柜和高微重力实验柜，未来航天员还将参与无容器材料科学实验的样品更换，以及高微重力实验项目的更多科学实验。
NSR：之后会有科学家进入空间站工作吗？
高铭：会的。在空间站中的航天员主要有三类，一类是航天驾驶员，一类是航天飞行工程师，还有一类是有科学研究背景的载荷专家。
首批三位航天员在科学实验方面可以进行一些人机协同的操作，包括我们之前说的更换样品、实验操作等。此外，他们还会作为工程师，承担一部分仪器维护、维修的工作。而且，他们还需要开展舱外操作，包括舱外设备安装与维护、巡天望远镜的维护等。
而载荷专家的工作主要就是科学研究，他们有空间实验相关的科学背景，可以根据空间实验条件和实验结果来灵活地调整实验设计，在空间站中更好地掌握实验进程。我国目前已经选拔了4位具有不同学科背景的载荷专家，正在航天员中心接受训练，会在空间站进入运营阶段之后陆续开始工作。
国际合作与未来规划
NSR：我国空间站会接收外国的航天员吗？
高铭：原则上是可以的。我国的载人航天一直都保持着对外开放、合作共赢的基本原则，愿意和其他国家进行合作。目前，已经有一些国家表达了这方面的需求，希望能在我们的空间站上继续进行空间科学研究。
NSR：中国空间站的国际合作情况如何？
高铭：我国的航天领域和欧空局、德宇航、意大利空间局等都有长期的合作关系。
之前在神舟八号飞船上，我们和德宇航进行了一次非常成功的合作，两国的科学家共同使用一个生物培养箱，进行了6项德方的实验、10项中方的实验，以及1项双方合作的研究。
现在的中国空间站项目中，我们和欧空局有10个合作项目正在进行，中欧科学家会利用双方的空间资源共同进行合作项目的空间研究。
2018年，我们和联合国外空司合作，公布了我国空间站的应用设施和资源条件，并向全世界科学家征集科研项目。我们收到了来自27个国家的42份项目申请，从中遴选出了第一批共9个国际合作项目，目前均已签署了合作协议。未来，与国内的项目征集类似，我们也会每两到三年滚动式地向国际征集新项目建议。
NSR：中国载人航天后续有哪些计划？
高铭：首先，我国空间站将运行十年以上，可以工作到2035年左右。与此同时，我们正在持续开展载人月球探测方案的深化论证，相关研究工作正稳步推进，不远的将来将会实现载人登月，长远的目标是建立月球基地。当然，在更加遥远的未来，我们也希望能将载人空间探测推向更加遥远的深空。
NSR：对于中国载人航天的未来发展，您有什么建议？
高铭：从上个世纪90年代开始，中国的载人航天工程已经有将近30年的发展历程。在这期间，我们形成了一套非常完整的工程组织管理和技术质量管理体系。
我认为在未来我们要更加注重科学问题导向，工程实现的过程要更加符合科学规律，以更好地获取科学成果。空间站已经到了应用的阶段，空间科学研究的价值和引领作用也会越来越得到重视。https://t.cn/A6MZetor
【穿越千年，古赤道极光揭示地磁异常演化】提起绚丽多彩的极光，人们就会想到南北极。鲜为人知的是，在地球赤道上也有可能看到极光。
这种现象很多时候与地球磁场异常有关。人们都知道地球有南北两个对称的磁极，不过，地球上还有一些少为人知的地磁异常区——高于或低于同纬度地区磁场强度的正异常区或负异常区。赤道极光就与地磁负异常有关。
先别对飞往赤道看极光感到欣喜，地磁异常也是地球南北磁极倒转的一个潜在“先兆”。地磁倒转会削弱对地球系统的保护，甚至造成生物大灭绝。
南大西洋异常区（SAA）是今天地球唯一的负地磁异常区，能否通过历史上类似的异常区，增进人们对这一动力学过程的理解？在日前发表于美国《国家科学院院刊》的一项研究中，中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）魏勇研究员带领的团队与英国利兹大学的合作团队利用一把“新钥匙”——千年古籍中记录的赤道极光，首次展示了地球内部与空间的协同演变。
“不安分”的地磁场
在地球系统46亿年演化进程中，磁场的出现和演化，与其他因素共同作用塑造了今天生机勃勃的宜居地球。
“地磁场穿越厚达3000公里的地幔与地壳达到地表，并远远地延伸到太空中去。太空中的这一部分地磁场包裹的空间即‘磁层’，在靠近太阳的一侧能达到10个地球半径（地球半径为6371公里）那么远，而在远离太阳的一侧可能达到上千个地球半径。”论文第一作者、地质地球所研究员何飞向《中国科学报》解释。
相关论文信息：
https://t.cn/A6Mh4zxT
https://t.cn/A6bFjcQh
https://t.cn/A6Mh4zxH
他表示，由于带电粒子遇到磁场后运动方向会发生偏转，巨大的磁层把地球包裹于其中，对地球生物圈产生了双重保护作用：避免外来的高能带电粒子入侵；减少大气层中的带电粒子逃逸。
地球磁场可以分为四大部分：主磁场、地壳异常磁场（也称岩石圈磁场）、外源变化场和地球内部感应磁场。这些磁场组份的物理起源和时空分布特征各不相同。现今主磁场——偶极磁场占地球磁场的97%。
在众多地球主磁场起源假说中，今天科学家们更认同“地核发电机”假说——地心外核中处于熔融状态的金属铁的持续对流过程。“如果说磁流体对流过程能够产生或增强磁场；那么磁扩散过程则恰好相反，它使磁场趋于均匀分布，并总是趋于衰减。这两个过程决定了偶极磁场的变化。”该项研究方案的设计者兼共同通讯作者、地质地球所研究员魏勇解释说。
图1：地磁场来自于地球内部这台发电机 地质地球所供图
他表示，如果外地核某些区域的流动因地幔运动状态和热力学状态的改变出现异常，不足以补偿磁扩散引起的衰减，在长时间积累下，该区域就会表现出磁场强度明显低于其他区域，即负磁异常区。一旦磁层变小了，对该区域的保护作用也会随之变小。
“除了负地磁异常区，地球磁场也存在正磁异常区。”他说，目前地球磁场的三个正磁异常区分别位于北美洲北部、西伯利亚，以及南极大陆与大洋洲之间的海洋。
不止如此，他指出，“发电机”过程的剧烈变化还可能导致全球性磁场减弱，或是磁偶极子减弱、磁多极子增强，甚至发生南北磁极的倒转。
“当南北磁极调换，导致地磁保护层消失，宇宙辐射就会直接穿越到大气层里，其中就包括致命的射线。”魏勇说。此外，候鸟南飞北迁要依靠地磁场进行全球定位，人类的导航、卫星系统不少都是根据磁极判断方向。“一旦颠倒，天上飞的、地上爬的各种交通工具，就会‘碰碰车’，给人类带来巨大麻烦。”
古籍中的那束光
磁场的起源和长期演化一直是地球系统科学关注的重点和难点。赤道极光为破解这一难题照亮了一束光。
“事实上，极光（aurora）的本意是曙光，与南北极并没有任何关系。”魏勇解释说，现代科学之父伽利略在1619年率先使用了“aurora borealis”一词来称呼北极光，其后又有人使用“aurora australis”称呼南极光，久而久之， 它就具有了“极光”之义。天空中的大气发光现象种类繁多，但空间物理学家对极光现象有明确的界定：由太空中的带电粒子轰击大气粒子而产生。
“极光是高层大气中的一种特殊发光现象。从广义来讲，所有高能粒子与中性大气碰撞激发的光辐射都可称为极光。”何飞也表示，传统认为极光只发生在南北两极环绕磁轴的椭圆环带中（又称极光卵），这主要取决于偶极磁场在南北两极汇聚形成的特殊漏斗状结构。
偶尔在极端空间天气事件期间，极光卵会扩展到中低纬度。不过，他表示，正常情况下，在低纬度区域，高能粒子很难跨域磁力线穿透高层大气，因此极少会观测到极光现象。
“但在负地磁异常区内，磁场强度比同纬度的其他地区至少低一半，保护作用被减弱，导致更多的内辐射带高能带电粒子进入高层大气，并通过碰撞激发类似极光的发光现象。”何飞说，科学家已经在SAA异常区观测到了红色的极光。
在2020年发表于《国家科学评论》的一项研究中，中科院院士万卫星与魏勇、何飞等系统总结了以SAA为代表的负地磁异常区高能带电粒子沉降特征、粒子碰撞发光现象和历史观测研究现状，在上世纪六七十年代空间物理研究的基础上重新聚焦赤道极光研究。
由于现今地球只有一个负地磁异常区，科学家希望通过历史上发生的其他负地磁异常区增进对地磁演化过程的理解。利用古代航海数据建立的全球地磁模型，他们认为16-18世纪期间，西太平洋地区存在明显的负地磁异常，即西太平洋地磁异常区（WPA）。有趣的是，研究表明正如SAA位于非洲低剪切速度地幔异常体（LLVP）的西边缘，WPA在地理上位于太平洋LLVP的西边缘，这表明WPA也可能像SAA一样，是由地幔驱动的特征。
“除了从地球内部寻找WPA的证据外，大气异常现象提供了获取WPA演化线索的另一个路径。”魏勇说，在WPA的北方，古代中国、朝鲜和日本保存了大量的历史古籍，特别是在16-18世纪古朝鲜大量官方日记持续且详细地记载了天气、天象等信息。其中一种夜间大气发光现象——“有气如火光”被频繁记录。
图2：朝鲜半岛观察赤道极光示意图 地质地球所供图
图3：古朝鲜极光记录 地质地球所
对此，魏勇认为这正是由朝鲜半岛南方的负磁场异常引起的高能粒子沉降产生的赤道极光。他带领团队对朝鲜古籍进行了系统的整理，共发掘出公元1012-1811年800年间的2013条极光记录。
这些赤道极光与WPA存在怎样的联系？它能够告诉人们关于WPA的哪些演化特征？魏勇、何飞和地质地球所研究员朱日祥院士联合英国利兹大学教授菲利普·利弗莫尔（Philip Livermore）团队，开展了赤道极光和地球发电机模拟的交叉研究工作，揭示出WPA百年时间尺度的震荡特征。研究表明太平洋和朝鲜半岛下部的上升流可能是引起磁场震荡的关键：大约每100年发生一次，每一次之后都有下降流或其他机制来重新增强磁场。
多位审稿人认为对这项予以高度评价，认为研究结果首次清晰地展示了地球内部与空间的协同演变，为今后相关区域考古磁学工作提出了新方向，也为当今SAA区域研究提供了新思路。“作者利用古代朝鲜的历史极光记录，为地球发电机提供了一个令人兴奋的新视角。”一位审稿人说。
破译历史 预测未来
科学研究表明，近数十年来，SAA的磁场还在持续减弱，范围也在不断移动和扩大，磁暴期间越来越频繁地观测到赤道极光，一些地方甚至肉眼可见。
那么，地球是否可能发生磁极倒转的情况？“如果全球性的磁场减弱持续发展，则有可能迎来下一次地磁倒转。”何飞对本报说，“但这只是推测，因为历史上地磁倒转的发生并没有固定的规律，每次磁极倒转需要的时间也是几千年不等。地球历史上已知的地磁倒转发生间隔在几十万年到上百万年不等，上一次倒转发生在78万年前。
科学家已经通过“蛛丝马迹”发现地磁倒转和地磁异常带来的影响。例如，美国卡耐基研究所的科学家在分析远古岩石中的磁场极性时发现，在距今6.5亿到10亿年之间，地球出现了多个磁极，导致地球磁场出现混乱。而恰巧在这段时间中，地球出现了雪球事件、寒武纪灭绝事件等与生命有关的重大自然事件。他们推测，磁场的混乱可能是导致这些事件发生的原因。
近日，利物浦大学的研究人员对苏格兰东部古熔岩流的岩石样本进行热微波古地磁分析后发现，在4.16亿至3.32亿年前，这些岩石中保存下来的地磁场强度不到今天的1/4。而科学研究表明泥盆纪-石炭纪（4.19亿~2.86亿年前）的大规模灭绝与较高的紫外线（UV-B）辐射有关。作者表示这说明了弱磁场对地球生命的影响。
由此可见，破译过去地磁场强度的变化具有重要意义，它可以提供数亿年来地球深部过程的变化，进一步丰富和完善地球发电机过程，并为未来地磁可能如何波动或倒转提供线索。
“我们的这项工作只是初步的，未来应加强在我国南海、东南亚地区、孟加拉湾地区的考古磁学和古地磁研究，丰富和完善公元1800年之前的地磁记录，为构建准确的WPA演化模型提供基础数据，从而也为预测地球磁场的未来演变提供坚实的依据。”何飞说。
“中华文明源远流长，我国的正史和地方志中保存着丰富的自然现象记录，是研究人类周围各种环境变量长期变化的宝贵资料，甚至经常是唯一资料。朝鲜半岛、日本、越南等国家的正史大部分使用汉语写作，内容和体例也有一大部分承袭自我国，因此也保留了许多具有重要科学价值的资料。我国学者应当发挥自身文化优势，投入到这一研究领域中来。”魏勇说。https://t.cn/A6Mh4zxY
这种现象很多时候与地球磁场异常有关。人们都知道地球有南北两个对称的磁极，不过，地球上还有一些少为人知的地磁异常区——高于或低于同纬度地区磁场强度的正异常区或负异常区。赤道极光就与地磁负异常有关。
先别对飞往赤道看极光感到欣喜，地磁异常也是地球南北磁极倒转的一个潜在“先兆”。地磁倒转会削弱对地球系统的保护，甚至造成生物大灭绝。
南大西洋异常区（SAA）是今天地球唯一的负地磁异常区，能否通过历史上类似的异常区，增进人们对这一动力学过程的理解？在日前发表于美国《国家科学院院刊》的一项研究中，中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）魏勇研究员带领的团队与英国利兹大学的合作团队利用一把“新钥匙”——千年古籍中记录的赤道极光，首次展示了地球内部与空间的协同演变。
“不安分”的地磁场
在地球系统46亿年演化进程中，磁场的出现和演化，与其他因素共同作用塑造了今天生机勃勃的宜居地球。
“地磁场穿越厚达3000公里的地幔与地壳达到地表，并远远地延伸到太空中去。太空中的这一部分地磁场包裹的空间即‘磁层’，在靠近太阳的一侧能达到10个地球半径（地球半径为6371公里）那么远，而在远离太阳的一侧可能达到上千个地球半径。”论文第一作者、地质地球所研究员何飞向《中国科学报》解释。
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他表示，由于带电粒子遇到磁场后运动方向会发生偏转，巨大的磁层把地球包裹于其中，对地球生物圈产生了双重保护作用：避免外来的高能带电粒子入侵；减少大气层中的带电粒子逃逸。
地球磁场可以分为四大部分：主磁场、地壳异常磁场（也称岩石圈磁场）、外源变化场和地球内部感应磁场。这些磁场组份的物理起源和时空分布特征各不相同。现今主磁场——偶极磁场占地球磁场的97%。
在众多地球主磁场起源假说中，今天科学家们更认同“地核发电机”假说——地心外核中处于熔融状态的金属铁的持续对流过程。“如果说磁流体对流过程能够产生或增强磁场；那么磁扩散过程则恰好相反，它使磁场趋于均匀分布，并总是趋于衰减。这两个过程决定了偶极磁场的变化。”该项研究方案的设计者兼共同通讯作者、地质地球所研究员魏勇解释说。
图1：地磁场来自于地球内部这台发电机 地质地球所供图
他表示，如果外地核某些区域的流动因地幔运动状态和热力学状态的改变出现异常，不足以补偿磁扩散引起的衰减，在长时间积累下，该区域就会表现出磁场强度明显低于其他区域，即负磁异常区。一旦磁层变小了，对该区域的保护作用也会随之变小。
“除了负地磁异常区，地球磁场也存在正磁异常区。”他说，目前地球磁场的三个正磁异常区分别位于北美洲北部、西伯利亚，以及南极大陆与大洋洲之间的海洋。
不止如此，他指出，“发电机”过程的剧烈变化还可能导致全球性磁场减弱，或是磁偶极子减弱、磁多极子增强，甚至发生南北磁极的倒转。
“当南北磁极调换，导致地磁保护层消失，宇宙辐射就会直接穿越到大气层里，其中就包括致命的射线。”魏勇说。此外，候鸟南飞北迁要依靠地磁场进行全球定位，人类的导航、卫星系统不少都是根据磁极判断方向。“一旦颠倒，天上飞的、地上爬的各种交通工具，就会‘碰碰车’，给人类带来巨大麻烦。”
古籍中的那束光
磁场的起源和长期演化一直是地球系统科学关注的重点和难点。赤道极光为破解这一难题照亮了一束光。
“事实上，极光（aurora）的本意是曙光，与南北极并没有任何关系。”魏勇解释说，现代科学之父伽利略在1619年率先使用了“aurora borealis”一词来称呼北极光，其后又有人使用“aurora australis”称呼南极光，久而久之， 它就具有了“极光”之义。天空中的大气发光现象种类繁多，但空间物理学家对极光现象有明确的界定：由太空中的带电粒子轰击大气粒子而产生。
“极光是高层大气中的一种特殊发光现象。从广义来讲，所有高能粒子与中性大气碰撞激发的光辐射都可称为极光。”何飞也表示，传统认为极光只发生在南北两极环绕磁轴的椭圆环带中（又称极光卵），这主要取决于偶极磁场在南北两极汇聚形成的特殊漏斗状结构。
偶尔在极端空间天气事件期间，极光卵会扩展到中低纬度。不过，他表示，正常情况下，在低纬度区域，高能粒子很难跨域磁力线穿透高层大气，因此极少会观测到极光现象。
“但在负地磁异常区内，磁场强度比同纬度的其他地区至少低一半，保护作用被减弱，导致更多的内辐射带高能带电粒子进入高层大气，并通过碰撞激发类似极光的发光现象。”何飞说，科学家已经在SAA异常区观测到了红色的极光。
在2020年发表于《国家科学评论》的一项研究中，中科院院士万卫星与魏勇、何飞等系统总结了以SAA为代表的负地磁异常区高能带电粒子沉降特征、粒子碰撞发光现象和历史观测研究现状，在上世纪六七十年代空间物理研究的基础上重新聚焦赤道极光研究。
由于现今地球只有一个负地磁异常区，科学家希望通过历史上发生的其他负地磁异常区增进对地磁演化过程的理解。利用古代航海数据建立的全球地磁模型，他们认为16-18世纪期间，西太平洋地区存在明显的负地磁异常，即西太平洋地磁异常区（WPA）。有趣的是，研究表明正如SAA位于非洲低剪切速度地幔异常体（LLVP）的西边缘，WPA在地理上位于太平洋LLVP的西边缘，这表明WPA也可能像SAA一样，是由地幔驱动的特征。
“除了从地球内部寻找WPA的证据外，大气异常现象提供了获取WPA演化线索的另一个路径。”魏勇说，在WPA的北方，古代中国、朝鲜和日本保存了大量的历史古籍，特别是在16-18世纪古朝鲜大量官方日记持续且详细地记载了天气、天象等信息。其中一种夜间大气发光现象——“有气如火光”被频繁记录。
图2：朝鲜半岛观察赤道极光示意图 地质地球所供图
图3：古朝鲜极光记录 地质地球所
对此，魏勇认为这正是由朝鲜半岛南方的负磁场异常引起的高能粒子沉降产生的赤道极光。他带领团队对朝鲜古籍进行了系统的整理，共发掘出公元1012-1811年800年间的2013条极光记录。
这些赤道极光与WPA存在怎样的联系？它能够告诉人们关于WPA的哪些演化特征？魏勇、何飞和地质地球所研究员朱日祥院士联合英国利兹大学教授菲利普·利弗莫尔（Philip Livermore）团队，开展了赤道极光和地球发电机模拟的交叉研究工作，揭示出WPA百年时间尺度的震荡特征。研究表明太平洋和朝鲜半岛下部的上升流可能是引起磁场震荡的关键：大约每100年发生一次，每一次之后都有下降流或其他机制来重新增强磁场。
多位审稿人认为对这项予以高度评价，认为研究结果首次清晰地展示了地球内部与空间的协同演变，为今后相关区域考古磁学工作提出了新方向，也为当今SAA区域研究提供了新思路。“作者利用古代朝鲜的历史极光记录，为地球发电机提供了一个令人兴奋的新视角。”一位审稿人说。
破译历史 预测未来
科学研究表明，近数十年来，SAA的磁场还在持续减弱，范围也在不断移动和扩大，磁暴期间越来越频繁地观测到赤道极光，一些地方甚至肉眼可见。
那么，地球是否可能发生磁极倒转的情况？“如果全球性的磁场减弱持续发展，则有可能迎来下一次地磁倒转。”何飞对本报说，“但这只是推测，因为历史上地磁倒转的发生并没有固定的规律，每次磁极倒转需要的时间也是几千年不等。地球历史上已知的地磁倒转发生间隔在几十万年到上百万年不等，上一次倒转发生在78万年前。
科学家已经通过“蛛丝马迹”发现地磁倒转和地磁异常带来的影响。例如，美国卡耐基研究所的科学家在分析远古岩石中的磁场极性时发现，在距今6.5亿到10亿年之间，地球出现了多个磁极，导致地球磁场出现混乱。而恰巧在这段时间中，地球出现了雪球事件、寒武纪灭绝事件等与生命有关的重大自然事件。他们推测，磁场的混乱可能是导致这些事件发生的原因。
近日，利物浦大学的研究人员对苏格兰东部古熔岩流的岩石样本进行热微波古地磁分析后发现，在4.16亿至3.32亿年前，这些岩石中保存下来的地磁场强度不到今天的1/4。而科学研究表明泥盆纪-石炭纪（4.19亿~2.86亿年前）的大规模灭绝与较高的紫外线（UV-B）辐射有关。作者表示这说明了弱磁场对地球生命的影响。
由此可见，破译过去地磁场强度的变化具有重要意义，它可以提供数亿年来地球深部过程的变化，进一步丰富和完善地球发电机过程，并为未来地磁可能如何波动或倒转提供线索。
“我们的这项工作只是初步的，未来应加强在我国南海、东南亚地区、孟加拉湾地区的考古磁学和古地磁研究，丰富和完善公元1800年之前的地磁记录，为构建准确的WPA演化模型提供基础数据，从而也为预测地球磁场的未来演变提供坚实的依据。”何飞说。
“中华文明源远流长，我国的正史和地方志中保存着丰富的自然现象记录，是研究人类周围各种环境变量长期变化的宝贵资料，甚至经常是唯一资料。朝鲜半岛、日本、越南等国家的正史大部分使用汉语写作，内容和体例也有一大部分承袭自我国，因此也保留了许多具有重要科学价值的资料。我国学者应当发挥自身文化优势，投入到这一研究领域中来。”魏勇说。https://t.cn/A6Mh4zxY
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