太阳 - 地球物理学是从研究太阳对大气层的电磁辐射和粒子辐射作用以及研究地球磁场而发展起来的，太阳 - 地球物理学最初研究电离层、磁暴、极光和太阳的闪光。目前，太阳 - 地球物理学包括许多发生在太阳大气中的现象，导致物质和能量经行星际空间向地球转移的复杂过程。

众所周知，在电离层变化的各种类型与在行星际空间中太阳的起源过程是紧密相关的。类似的依赖关系表现在地球上的天气条件的变化。可惜，太阳 - 地球物理学不包括气象学。然而，人们还是研究太阳物理学与气象学这两个领域之间的可能的联系。

在这篇文章中，我试图证明加强研究太阳 - 地球物理学在人类发展的现阶段是非常重要的。各方面的大量的专家开始将注意力集中于太阳 - 地球物理学上。在不远的将来，人们可望目前被人类越来越改变着的生物层将被列入太阳 - 地球物理学的研究范围。

我们应该知道我们的行星，了解它的演化与周围宇宙空间的关系，而十分重要的是，现在我们已经能够研究现象的复杂环节；太阳电磁和粒子辐射；经过行星空间辐射的传播及磁场与地球表面大气层的相互作用。

为了知道在大气威胁到人类以前，我们应如何来为子孙后代保护大气，我们就必须研究这些现象，从纯科学观点来看，太阳 - 地球物理学给我们提供了关于在实验室装置常常不能实现条件下的演变的基本规律和其它行星的大气性质方面的知识。

太阳电磁辐射

早就知道，紫外线辐射会引起大气表面（即高度超过100公里）的分子的分解和光电离。这些过程导致电离层（高度从50到1000公里出现部分电离气体）和等离子层（完全电离气体所充满的巨大的区域）的形成，在赤道区域等离子层处在电离层以上并延伸到4万公里的高度。电离层的研究对于研究无线电波的传播有重要的意义。

大气表面的热的平衡将得到调整，这一方面是太阳电磁辐射使大气受热，另一方面是中性气体层（通常称为热层）的导热性。所以很明显，研究降落到地球上的电磁辐射光谱是十分重要的。

从大气物理学观点来看，紫外线辐射对中大气层的，包括同温层和中大气层的成分的影响是很重要的。紫外线辐射将调节所谓很小的大气成分——原子氧、氮的氧化物、水和羟基氧化物的浓度。这些成分在确定吸收太阳辐射的大气变动方面起着重要的作用，这首先是调节大气的温度及形成大气风。文明社会的发展使得同温层和中大气层越来越受到污染，所以造成在自然界中自然平衡的破坏。这是近年来人类面临的最为复杂的问题之一。

我们来看看臭氧问题的例子。大家知道，在中大气层从20到100公里的高度存在着调节降落到地面太阳辐射强度的臭氧层。这种辐射对生物系统的活动，特别是在动物、植物和人类活动方面将起重要的作用。由于工业企业大量散发氟氯烷到大气中，最后会破坏臭氧层，因此导致在自然界中自然平衡的急剧性的破坏。让它继续混入自然界，无法保证人类不面临任何问题。只有太阳 - 地球物理学的基本研究能够帮助我们指出解决这些问题的方向。

太阳粒子辐射

这种辐射乃是以巨大速度（约400公里/秒）背离太阳运动的一种质子流（太阳风）。太阳风是炽热的太阳光环（它的温度约1500万度）的热膨胀的结果。很有趣的是，光环温度比太阳本身表面的温度还高。初看起来，这是与热力学第二定律所肯定的即热量应该从比较热的物体传到热比较低的物质相矛盾的。而在当时曾引起许多争论。许多学者研究了光环的加热结构，在目前，一般的想法是由太阳光球中物质的对流运动引起的冲击波前沿来加热光环的等离子区。在膨胀过程中，太阳风引发自己的磁场。太阳风产生的过程可发现发生在地球的大气和磁极的多种多样的物理现象方面的反映。

风背离太阳以辐射的方式传播，但考虑到风的旋转，太阳风的磁场在行星际空间中具有螺旋线的形式。

借助于宇宙探测器和轨道上的卫星已发现在黄道平面附近太阳风的磁场在某些时候将朝向太阳，而有时则是反方向。这就导致太阳风的扇形结构的出现。这些扇形的数目随时间而变化，但通常不超过四个（如图1）。当分析太阳风对地面上的效果时，这些扇形之间的边界是有效时间和空间的标记。例如，已发现地磁暴经常是通过扇形边界之后的两日后出现。

太阳风走完从太阳到地球的距离需要1 ～ 2天的时间，正是太阳风这种超音速度使得在地球附近距离约为15倍地球半径的宇宙空间白昼的一方产生冲击波，经过冲击前沿以后太阳风将地磁场“关闭”成从太阳方向延伸看来像是一个雪茄烟斗腔彗星的尾巴（如图2）。太阳风与地磁场相互作用引起在宇宙空间中在横过地球方向的变化势差约为100 kB。磁层和大气层中地磁场产生以下效果：1）沿着从磁层的远外到极光区的地磁场的磁力线流动的电流密度达到10^-6A/m²；2）极光；3）流动在极光区水平高度为100 ～ 150公里的巨大电流（大约10⁵ ～ 10⁶A），这些电流称为“极电流”或“电的曙光”；4）被地球周围的环形电流所限止的磁层区域中等离子区的激发；5）等离子层的形状及位置的变化；6）在电离层中的电流和磁场的调制；7）电离层的风暴；8）在高度超过100公里以上的大气层中风温度和压力的传播的变化；9）电离层组成的变化；10）中大气层小的组成部分浓度的变化；11）由地球的磁层中获取的强粒子来产生电磁辐射；在很低频波范围内由电子产生，而在10^-2 ～ 10³秒时间范围内（地磁脉冲）由强离子产生；12）平行于地磁场的电场加速电子和离子；这些离子（质子、氦和氧的离子）的能量达到10 kэB；13）在1公里和10米范围内产生无线电辐射，并且这种辐射的强度如此之大，以至于作为无线电源的地球能与木星相竞争。

然而上面所列举的效果尚未彻底弄清，其中还有以下的问题，第一：怎样的结构把太阳风的能量传送给地磁场的？某些研究人员认为行星际的磁场和地磁场的联系是传送能量的基本过程，另一些学者，包括作者在内，认为能量、力矩和质量可能是在电场作用下，或者由于在磁层的边界层中涡流运动的结果而横向穿过磁间隙（磁层的边界）。在研究行星际的磁场与地磁场关系的最重要的工具是时间周期约为100 ～ 150秒的地磁脉冲。地磁脉冲的出现与太阳风质子流产生的低频波相联系。加强这种波动的研究对充分理解将太阳风的能量传送给地球大气的过程提供了线索，太阳风影响大气层其它现象，包括极光、很低频波无线电辐射、电离层的风暴和地磁脉冲等都与行星际环境有非常复杂的关系。

第二：在电子具有相当大的能量的情况下，极光粒子加速结构的性质是怎样的？第三：在这些过程中电离层是如何作用的？第四：磁层的等离子区的高速粒子与它的致冷部分及由它引起的电场的联系如何？

这些远不是未查清问题的全部。例如还有：从极光区流入和流出的纵向电流形成的物理原因是什么？怎样的物理过程决定极光的离散结构？在太阳风的能量传送给地磁场的过程中，行星际磁场起着什么作用？

这些问题主要部分属于等离子区物理学和磁性流体动力学的范围。研究等离子区的物理学家知道，在电离层和磁层存在有许多不同的等离子区的不稳定性，这种不稳定性目前在实验室里是很难或甚至不可能得到的。所以在磁层上研究太阳的活动性将紧密地与热核子的合成问题及МГД发生器紧密相关的。

地磁场在太阳风的相互作用过程中将夺取太阳的等离子区，但是在这种情况下，它的一部分等离子区能够伸入周围的宇宙空间。在中性粒子中电子和离子过量充电的过程将产生这样的现象，此过程引起从大气中的部分空气主要是氢、氦和原子氧进入宇宙。关于空气热损耗的著名的ДЖИНС理论，现在不能解释从地球大气层氢的流失。所以必须注意上述在电离层的中性粒子过量充电过程。大气中的每种气体在这些过程中总流入（或流出）暂时还不清楚是怎样的，但是，完全可以知道。这个问题在地球和其它行星的大气演化问题中具有头等的重要性。

地磁的风暴与太阳上所发生的过程，例如与太阳的闪光有直接的关系。从发生闪光所开始的一连串现象——在行星际空间中形成新的结构，它们与地磁场之间相互作用及随后在大气表面的这些过程的能量的吸收——所有这一切都是太阳 - 地球物理学的课题。太阳同时是强烈的宇宙线（主要是从太阳闪光区）辐射的根源。不论是行星际空间，还是地球的磁层，这些辐射的强度和方向的观察都能提供关于行星际磁场及其与地磁场联系的特性的资料。

太阳的活动性对地球大气的影响

在高度超过100公里极化电子将放出相当大的能量到大气中，不但如此，在强的磁暴时，在这个高度所放出能量超过太阳的强紫外辐射的能量。这个事实是在60年代初发现的，但仅仅在不久以前才为大多数专家所赞同。极光地区的电场能够引起速度高达4公里/秒的风，而极化电子能够释放足够改造全地球热层的结构和风所需的能量。

很重要的要弄清楚，太阳活动性的影响在大气中能够表现到什么程度。当然，磁暴的能量与大气中决定天气的空气质量运动的能量相比，少到可以忽略。同时大家知道，强的磁暴将引起中大气层当中的臭氧、氮的氧化物和羟基原子团的浓度起相当大的变化。少量成分的其它变化形式能够被太阳的紫外线辐射所引起。这二种变化形式有不同的地理上的分布。并且，首先依赖于离开发光区的距离，其次依赖于太阳的偏差角。

由此，它们相互间是容易区分的。这正如对同温层和低大气层的研究所表现的那样，在大气中压力分布的变化与磁暴之间及与太阳风的扇形边界和地球交叉点之间具有一定的联系。显然，存在着二种类似的联系形式：

第一，构成向下传播经过大气的某些链过程，第二，在相反方向的传播链过程。第一种联系形式，存在二种可能性。一是由于磁暴使中大气层少量成分的浓度变化，使得由太阳辐射而大气变热的速度发生改变，从而引起中大气层的动态的变化。最后，也引起电离层与低大气层联系的边界条件和性质的变化，例如，由于随着高度，温度分配的变化引起从电离层上长波的反射，其它的可能性在于当太阳风绕过时在地球横向上所产生的大范围的电场，调节取决于空气物质运动的电场，从而决定它们的衰减速度。

当在第二种形式时，天气变化与磁暴的关系将发生下面的连续过程，大气风引起往上传播的大范围的声波能够达到电离层，如果在中大气层，风对此有利的话（最合适的条件通常出现在冬季）。这个波在电离层感应出电场（动态效果），然后推进到地磁场与太阳风相互作用的边界上。在那里，这个电场调节“积聚”在地球的磁层的太阳风的粒子流。实际上，这种调节显然是部分地依赖于行星际的磁场方向，因而也依赖于太阳风的扇形结构。

为了检验所有这些假设，当然要求对大气的，特别是靠近极光区的空气质量的循环进行详细的测定。对此，应该指出，在研究这种关系时必须从结果中来找原因：

国际的研究

太阳 - 地球物理学主要是在最近20年才有显著的进展。地面上的光学的无线电观察，在气球上、宇宙探测器、火箭和卫星上的试验，能够揭示出一系列的太阳和地球的关系及研究在地球磁层中的物理过程。但是在我们面前还有许多事情要做。在太阳 - 地球物理学中，我们遇到的是非常复杂的自然系统。对它还缺乏足够可靠的研究方法，幸而它的物理过程能够重复无数次，所以我们对它的认识虽然是慢的，但是坚信能够积累更多的知识。

在国际组织范围内：国际测量和地球物理联合会、国际地磁和航空协会、国际气象和大气物理协会、国际无线电联合会、宇宙研究委员会、南极地带研究委员会和国际气象组织对太阳 - 地球物理学研究有各种观点。不久前，国际科学家联合会会议打算适当组织专门知太阳 - 地球物理专业委员会。这个组织的建立不仅对于集中各种专业学者的力量是必要的，而且对于集中各国的学者为进行全球综合性的研究也是必要的。目前，太阳 - 地球物理专业委员会的计划之一是国际磁层研究计划，其规模可与已知的国际地球物理年计划相比。

大约有50个国家参加这项研究计划，运用地面设备、火箭、气球和卫星进行了一千次以上的试验。太阳 - 地球物理学专业委员会起草调查中大气层的大范围的研究计划，它同时协调周围宇宙空间的研究和太阳闪光的演化研究 · 当然这仅仅开始努力协调太阳的活动性与气象学关系的全球研究。不久的将来可能太阳 - 地球物理学的问题将吸引生物物理学家。

古代人根据自己每天的经验懂得太阳的作用。现代人在科学技术综合中处于了解许多复杂的和不可捉摸的太阳对周围环境所起的影响的边缘上。很有趣的是，在地球磁层物理学领域工作过的科学家发现了一系列他的同事在等离子区实验中不能得到的新的结果。所以在现阶段，大气层和周围宇宙空间的研究具有如此重大的意义。

〔译自Буòущее нαукu，1979年版49 ～ 58页〕