来源: 发布时间:2014-09-09
本刊记者 严永红
清晨,当太阳从漫天红霞中喷薄而出,将万丈金光洒向大地,一种蓬勃向上的激情油然而生。看到这个充满生机的世界,人们不能不热爱和赞美赐予我们生命和力量的万物主宰——太阳。
自古,太阳在人类文明中就占有非常重要的地位,而人类对太阳探寻的脚步也从未停止。《汉书·五行志》中记载:“日出黄,有黑气,大如钱,居日中”,这是得到世界公认的最早的有关太阳黑子的记录。
不仅古人如此,时至今日,探索神秘的宇宙,揭开太阳的秘密,大概是每个人儿时都曾向往过的一个美好愿望。记者面前的这位年轻学者刘睿,也曾仰望星空,对宇宙充满憧憬,不过他选择了脚踏实地——北京大学地球物理系本科、北京大学空间物理学硕士、美国莱斯大学天体物理学博士学位、美国新泽西理工学院日地物理研究中心空间天气实验室博士后研究,一路走来,儿时的兴趣,加之少年时代的努力,终于铺就刘睿的圆梦之路。2011年,刘睿完成博士后研究工作,选择回国发展,被聘为中国科学技术大学地球和空间科学学院教授。事实上,回国的想法早在几年前就已萦绕在他心间。2005年卡特里娜飓风袭击之后美方政府的救灾不力,2008年汶川大地震时中国政府的迅速反应,两相对比,使身为四川人的刘睿更加真切地感受到祖国的凝聚力,也更加坚定回国的念头。他说:“我们每个人都有一个中国梦,也都在为此努力。”
把握太阳“脉搏”
太阳不仅给地球带来光明和温暖,它的活动也会对地球环境带来灾害性影响。太阳上的爆发活动会喷射出大量物质和高能带电粒子,称为太阳风暴,有时一天会发生数次之多。
尽管普通人察觉不到太阳风暴的发生,它的破坏力却不可小觑。
1989年3月,日面上出现一个超级太阳黑子群,源于这个黑子群的太阳风暴到达地球,引起近50年来最强的地磁暴,导致加拿大魁北克省一个变压器因地磁感应电流过大而烧毁,整个电网在90秒内全面瘫痪,停电达9小时以上,600万居民受到影响,直接经济损失约5亿美元。
2003年10月底至11月初,太阳上再次发生一系列强烈的爆发活动,由于恰逢西方万圣节前后,因此被称为“万圣节风暴”。这次事件引起的地磁暴强度不如1989年3月的地磁暴,但由于我们对复杂技术系统的依赖性已经大大增加,产生的损失有过之而无不及:半数以上的地球轨道卫星报告了异常或出现故障,多颗科学卫星遭受数据丢失或损坏,其中日本的环境观测卫星ADEOS-2完全失效,仅此一项造成损失6.4亿美元,甚至远在火星的奥德赛号太空飞船(Mars Odyssey)上的火星环境辐射探测仪也因太阳风暴袭击而报废;全球范围内的通信受到干扰,海事紧急呼叫系统瘫痪,GPS定位精度降低,珠峰探险队通信中断,我国北方短波通信受到严重干扰;瑞典马尔默市一个电力系统遭到破环,5万居民的电力供应中断,而美国电网得力于及时的空间环境预警,仅受到轻微影响。
刘睿主要从事太阳风暴(包括日珥爆发、耀斑和日冕物质抛射)的研究,涉及太阳风暴的起源、物理结构、爆发条件以及爆发的物理过程。在国外工作期间,对日珥爆发中的硬X射线爆、日冕内爆、大尺度耀斑电流片等的研究取得了一系列成果。作为空间灾害性天气事件的主要驱动源,太阳风暴的研究成果是空间环境保障服务不可缺少的理论基础和预报依据。空间环境保障涉及国防、航空航天、通讯导航、电力和石油运输等各个方面,是国家需求之一。
2012年,刘睿入选第二批青年“千人计划”,并获得国家首批“优秀青年科学基金”资助。回国后,刘睿迅速融入中国科大日地物理研究团组,与汪毓明教授、申成龙副教授等密切合作。刘睿围绕磁绳形成和双层日珥及其爆发机制开展了相关科研。
磁绳形成:报导了高度剪切的冕环结构通过似稳的非爆发性磁重联形成磁绳并逐渐演化为不稳定的结构从而最后爆发的详细过程,证实了磁绳作为储存自由磁能的一个重要结构可以在太阳大气中稳定存在,并为解释行星际磁绳的来源问题提供了线索。
双层日珥及其爆发机制: 首次发现并研究了一个双层日珥由似稳平衡态向部分爆发演化的过程。他们发现爆发前数小时内日珥下层多次向上层输运物质和磁通,最终使得上层不稳定,从而爆发形成日冕物质抛射;下层则保持平衡态。基于SDO、STEREO A和B三颗卫星同时观测的数据,他们不仅得到日珥各层爆发前的真实高度,还明确推断出两层的磁螺度均为左手性。在此基础上,提出双层日珥的两种可能磁场位形。由于任意一层磁结构中都可能缺失日珥物质从而表现为普通的日珥,这种双层结构具有广泛的意义。他们进一步发现由色球纤维向日珥输运磁通也可以驱动日珥爆发,因此这是一种重要的爆发机制。这些成果均发表在顶级学术刊物《天体物理期刊(The Astrophysical Journal)》上。
璀璨之后甘于寂寞
将时空放大, 日子周而复始, 类似的情节如烟花, 一时璀璨过后, 平静下来, 只剩枯燥与寂寞。对于科研工作者来说, 这种难耐的重复似乎更是常人难以想象,谈及此,刘睿很坦诚:“科研工作辛苦而平淡,主要在于坚持,有些工作需要几年如一日地钻研,需要坐得住冷板凳。”艰苦耕耘的汗水,凝结成累累成果, 那些记忆中仍然历历在目的点与面, 在刘睿的话语中徐徐展开,并潜移默化地成为他之后科研道路上的准则。
在中科院空间天气实验室做硕士论文时,当年已经60多岁的魏奉思老师(现为院士)仍锐意创新,并坚持亲自动手处理一些非常繁琐的科研工作,他的探索精神给刘睿留下了很深的印象。而在美国攻读博士期间遇到的两名导师——David Alexander和Holly Gilbert,在治学上非常严谨,刘睿经常与他们就某个科研问题激烈争论,有时因为无法相互说服对方,这种争论会持续很久,这种严谨的治学态度也不知不觉渗入刘睿的教学思想中。博士后期间的导师是新泽西理工学院的王海民教授,他非常鼓励基于兴趣的探索,并不强求开展项目里的工作,刘睿说:“因为是兴趣使然,反而能出很多成果,愿意付出很多精力。”
在美国新泽西理工学院从事博士后研究时,刘睿就已晋升为研究教授并指导学生。2013年,他开始在中国科学技术大学地球和空间科学学院招收博士生和硕士生,结合自己的求学经历,他更相信言传身教、以身作则,按照学生自身背景和兴趣因材施教。
如今,刘睿已经回国两年多了,当被问及国内外在太阳物理领域的对比时,他坦言,就发表论文、科研成果来说,国内外较为接近,但在观测手段上的差距较大。在太阳物理领域,国内目前还没有搭载空间望远镜来观测太阳的卫星和飞船。国内的科研人员主要依靠国外的卫星数据,尽管国外仪器的科学数据通常免费共享,但没有自己自主的仪器和观测数据,不能不说是一个很大欠缺。然而,刘睿从未后悔过自己的选择,在他看来,选择回国是一件很自然的事:“我认为一个人对亲人、朋友的爱,对自己所在团体、国家的认可,是一种自然、朴素的情感。”让他深感幸福的是,太阳物理研究满足了自己的好奇心,同时能为国家做出贡献。