立足创新,追逐空间天气的诗和远方

——中国空间科学学会李晖的成长故事

基本情况

姓名:李晖

工作单位:中国科学院国家空间科学中心

专业方向:空间物理

简介

  李晖,博士,博士生导师,中国科学院国家空间科学中心主任助理,空间天气学国家重点实验室研究员,中国科学院青年创新促进会会员,中国地球物理学会行星物理委员会委员,月球与深空探测领域行星科学专家组成员,曾到美国麻省理工学院和美国阿拉斯加大学访问交流。

  主要从事行星际扰动的传播演化及其对地球空间环境的影响、地球空间暴的动力学过程、太阳活动与全球变化的关系、中国自主太阳系边际探测项目科学论证等方面的研究。发表论文35篇(SCI/EI论文30篇),获得授权专利1项。主持国家自然科学基金、中科院空间科学战略性先导专项、民用航天预先研究等国家级/院级项目15项,参与国家级/院级项目10余项。

  2011年获得中国科学院院长优秀奖,2012年被评为中科院优秀博士论文,2014年入选了中美空间科学青年领军人物,2015年获得中国科学院国家空间科学中心铜质奖章,2016年入选了中国科协“青年人才托举工程”,第十四届/第十五届全国日地空间物理研讨会青年优秀论文奖获得者。

  地球上有雨雪风霜、电闪雷鸣等一系列天气现象,那么宇宙空间里是否也有类似的情况呢? 答案是肯定的。由于突发性太阳活动,比如太阳黑子、耀斑等,引起的日地空间环境高度动态的短时间尺度的变化,我们称之为空间天气。

  太阳远没有看起来的那么平静和温柔。太阳上层大气会向外发射出的超声速带电粒子流,我们称之为太阳风。地球上,12级台风的风速是每秒32.5米以上,而太阳风在地球附近的风速却经常保持在每秒350~450千米以上,是地球风速的上万倍,最猛烈时可达每秒数千千米以上。此外,太阳偶尔还要“发个脾气”,来一场日冕物质抛射的太阳风暴,像吹泡泡糖一样,一下子抛出去一大团带电粒子。太阳风暴的威力可不能小觑,一次太阳风暴释放的能量,相当于10万至100万次强火山爆发或上百亿枚百吨级氢弹爆炸的效果。

  灾害性的空间天气会对航天系统、无线电链路系统、电力和能源系统、军事系统产生严重影响,对生命系统产生显著影响,还会对地面天气和气候系统产生较明显的影响,因而一直都是国际空间物理研究的前沿和热点。

  2016年,来自空间天气学国家重点实验室的李晖入选了中国科协青年人才托举工程(第二批)。有了“青托”这个鼓励创新的良好平台,在导师团队的悉心指导下,李晖可以更好地去追逐空间天气的诗和远方。

  一、迎难而上,探索太阳风加热的奥秘

  观测表明,太阳风向外传播的过程并非绝热过程,存在局地的加热过程。阿尔芬波是行星际空间广泛存在的一种常见磁流体力学波模。理论上认为,低频阿尔芬波的非线性串级是太阳风加热的主要物理机制之一。然而,现阶段的工作主要集中在理论分析和数值模拟两大方向,缺乏观测证据的支撑。特别地,作为经典不可压串级理论的关键因素之一,内传阿尔芬波的观测研究还非常有限,关于阿尔芬波耗散加热太阳风的观测证据也相当缺乏。

  为了在此方向有所突破,李晖及其团队创新性地提出了一种准确诊断行星际阿尔芬波的新方法,不仅提高了识别的准确度,还能得到之前鲜有关注的波动频率特征,为准确评估阿尔芬波特性提供了新的手段。利用新方法,他们通过统计分析,首次系统证实了内传阿尔芬波的广泛存在性,定量化给出了其发生率随日心距增加的分布特征,为阿尔芬波非线性串级理论提供了观测支撑。此外,他们还首次发现日冕物质抛射(ICME)内质子温度和阿尔芬波具有相似的“W”型分布,并发现阿尔芬波随着ICME的演化不断衰减,从统计和事件追踪两个角度找到了阿尔芬波加热ICME等离子体的观测线索。

  李晖及其团队的系列成果大大推进了对太阳风加热加速问题的理解,并获得了国内外同行的重视和认可。美国LANL国家实验室的研究团队将李晖的统计结果作为输入条件应用到参量不稳定性的模拟研究当中。纪念H. Alfven诺奖成果发表75周年的文章也认为李晖的工作为验证行星际中太阳风的加热机制提供了可能。李晖也多次在国内外重要学术会议上报告相关研究成果。

  二、勇于尝试,开拓空间天气调制地球气候新领域

  自上个世纪70年代以来,全球变化问题逐渐成为全世界关注的焦点。太阳辐射是地球系统最主要的能量来源,决定了地球的能量收支状况,也势必会对气候变化产生重要的影响。太阳辐射主要有两种形式:1)电磁辐射,也就是太阳光子;2)微粒辐射,又称为太阳风能流。相比而言,太阳电磁辐射进入地球系统的总量比太阳风能流高出4到5个数量级,因而绝大部分的研究都集中在太阳的电磁辐射上,忽略了太阳风能流的效应。

  然而,李晖及其团队注意到,太阳电磁辐射总量的长期变化幅度只有0.1%,而太阳风能流则可以超过100%,这使得二者的长期变化幅度大致相当。因此,他们开始了首次将太阳风能流应用到气候变化的研究。

  热带气旋是一种非常强烈的典型灾害性天气现象,因而备受人们关注。李晖及其团队以热带气旋为研究的切入点,首次提出了一种太阳风能流调制热带气旋活动的新机制:太阳风能流增强后经过一系列过程,引起海表温度上升、垂直风切变降低,最终导致热带气旋活动增强。他们在关键机制链上找到相应的观测证据予以佐证,并且统计发现,太阳风能流增强期间对应的热带气旋强度也显著增强。此外,他们还发现太阳风能流会对厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)的年代际变化产生影响,从更深层次上将热带气旋活动与太阳风能流关联起来。

  除此之外,李晖及其团队还积极探索银河宇宙线对于全球雷电活动的调制作用。他们发现,在持续几天的宇宙线福布斯下降期间,全球雷电活动的频次也明显地减少;而在持续1~2个小时的宇宙线显著增强期间,全球雷电活动的频次也相应增多,并且与宇宙线增强的相对幅度正相关。

  李晖的大胆探索,为理解太阳活动的气候效应提供了新的启示,他因此获得空间中心培育方向课题的连续支持,并参与到空间科学先导专项A类——鸿鹄专项的课题研究中。此外,作为ISSI-BJ“高能粒子沉降在大气中的动力学特征研究”的国际团队成员,李晖也积极开展相关方面的国际合作研究。

  三、锐意进取,着眼于遥远的星际空间探索

  国际太阳系探测呈现出“更近、更远”两极发展趋势,一是不断逼近太阳,开展太阳大气的就地探测;二是朝着远离太阳的未知空间开疆拓土。太阳风和恒星际介质“两军对垒”形成的太阳系边界是保护人类地球家园的“城墙”,距离太阳约80~150 AU(天文单位,约1.5亿千米)。太阳系边界探测是航天强国在深空探测领域角力的一个重要的核心战场,成为NASA、ESA战略发展规划的重要前沿探索方向。近年来,随着美国旅行者号以及新视野号不断涌现出新的科学发现,各国都加大了对星际空间探测计划的论证工作。

  在此背景下,李晖及其团队也积极投身到中国的太阳系边际探测的项目论证工作当中。2016年,李晖主持的中科院先导专项预先研究项目“星际快车(Interstellar Express)—— ‘神梭’探测计划初步方案研究”获得结题优秀奖。2017年,李晖作为“太阳系边际科学探测目标和载荷配置研究”的子课题负责人,参与到探月中心吴伟仁院士主持的中国工程院院士咨询项目当中。2019年,李晖又与航天五院的专家们一起,参与到科工局民用航天预研项目“外日球层空间探测系统关键技术研究”当中。在有效载荷技术攻关方面,李晖作为项目第二负责人,共同主持了中科院先导专项预先研究项目“高灵敏捕获离子探测关键技术研究”。

  为了联合国内外更多的力量参与到中国太阳系边际探测项目的论证工作当中,李晖作为学术秘书协调组织了第639次香山科学会议——“太阳系边际探测的前沿关键问题”,并作为召集人之一组织了一个ISSI-BJ关于外日球层和邻近星际空间探测的国际论坛。

  在3年青托项目的扶持下,李晖得到了明显的成长:1)基础研究方面:提出了创新性的阿尔芬波诊断方法,系统研究了阿尔芬波的特性和演化规律,大大推进了对太阳风加热问题的理解。首次将太阳风能流应用到气候变化的研究当中,为理解太阳活动的气候效应提供了新的启示。发表文章15 篇 (SCI/EI论文13篇),其中第一作者文章6篇,引用35次。2)工程项目方面:积极参与论证了我国太阳系边际探测卫星项目科学目标和有效载荷方案,为未来中国自主的星际探测项目提供了依据和参考。主持项目/课题近10项,包括基金委面上项目、先导A类项目子课题、国防科工局民用航天预先研究项目、中国工程院院士重点咨询项目、中科院空间中心培育方向课题、国家重点实验室自主课题等。3)自我发展方面:晋升为研究员、博士生导师,指导硕士研究生2名,成为中国地球物理学会行星物理专业委员会委员、Frontier in Astronomy and Space Sciences杂志编委、中巴空间天气联合实验室学术委员会委员、月球与深空探测领域行星科学专家组组员等。

  士不可不弘毅,任重而道远。只有不忘初心、立足创新、不断践行,才能更好地响应习主席发出的“探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国”的号召,最终实现中国的航天梦!