研究高空大氣物理的極好場(chǎng)所
高空大氣物理學(xué)的研究對(duì)象，是從地球表面以上的30公里高空一直到行星際空間所發(fā)生的地球物理現(xiàn)象和物理過(guò)程。高空大氣物理學(xué)是天體物理學(xué)與地球物理學(xué)之間的一門(mén)邊緣學(xué)科。它的研究?jī)?nèi)容很廣，主要包括高空大氣結(jié)構(gòu)、電離層和日-地空間物理三大部分。
在南極地區(qū)，具有哪些特殊的條件極有利于研究高空大氣物理學(xué)呢？
我們知道，地球像一塊大磁鐵一樣，它有自己的磁場(chǎng)。地球的磁場(chǎng)向宇宙伸展，形成了一個(gè)稱(chēng)為磁性層的區(qū)域。磁性層向著太陽(yáng)的一面，地磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)閉合，宛如一個(gè)球形大盾，把地球保護(hù)起來(lái)；磁性層背著太陽(yáng)的一面，被太陽(yáng)風(fēng)把磁力線(xiàn)拉開(kāi)，呈尾狀伸展。粗看起來(lái)，地磁場(chǎng)與偶極子頗為相似，宛如一個(gè)條形磁鐵位于地球中心附近，在地球磁場(chǎng)的南極有南極歧點(diǎn)。
什么叫太陽(yáng)風(fēng)？簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是太陽(yáng)粒子輻射流，是太陽(yáng)輻射的組成部分。在離地球大約64000公里以外，也就是10倍于地球半徑的地方，有一股超音速帶電粒子流，又稱(chēng)"等粒子"流，它以每秒數(shù)百公里的速度飛向地球，不斷沖擊著地球外圍環(huán)境，這就是太陽(yáng)風(fēng)。顧名思義，太陽(yáng)風(fēng)可以理解為太陽(yáng)形成的"風(fēng)"，只不過(guò)這個(gè)"風(fēng)"不是"吹"的大氣，而是帶電粒子流，這個(gè)"風(fēng)速"達(dá)到超音速。
向著太陽(yáng)一面的磁性層保護(hù)著地球，使其免受太陽(yáng)風(fēng)的正面襲擊，同時(shí)還改變太陽(yáng)風(fēng)的方向，使之繞過(guò)地球。然而，在地球磁場(chǎng)的南極歧點(diǎn)上，太陽(yáng)風(fēng)可以侵入。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)侵入南極歧點(diǎn)區(qū)時(shí)，它能使帶電的太陽(yáng)粒子輻射流近于垂直地向電離層以至中低層大氣輸送，使各層區(qū)產(chǎn)生能量、動(dòng)量和質(zhì)量耦合區(qū)域，形成許多重要物理現(xiàn)象，如極光、哨聲、粒子沉降和地磁脈動(dòng)等。這是在非極地區(qū)不能看到或極少見(jiàn)到的。
這里只簡(jiǎn)單介紹一下哨聲和極光。
一般的無(wú)線(xiàn)電噪聲可以分為兩大類(lèi)，即人為的和自然界的噪聲。自然噪聲來(lái)自地球周?chē)踔劣谛行请H空間。哨聲是自然噪聲中頻率甚低的一種，是一種富有音樂(lè)性的諧音，其頻率隨時(shí)間延長(zhǎng)而緩慢下降，同時(shí)，頻率下降的速度隨時(shí)間延長(zhǎng)而減慢。仔細(xì)收聽(tīng)哨聲的記錄訊號(hào)，在一兩秒鐘內(nèi)可以經(jīng)過(guò)八重音階，宛如美妙的太空音樂(lè)！
地球上的閃電是產(chǎn)生哨聲的重要能源之一。假如在地球北半球一點(diǎn)發(fā)生閃電脈沖，它將沿磁力線(xiàn)方向到達(dá)地球的另一半球--南半球，在南半球收到的閃電脈沖的低頻部分，叫短哨；短哨能沿地球磁力線(xiàn)再返回北半球，在北半球收到的回聲叫長(zhǎng)哨。由于極地區(qū)人為噪聲極小，才易收到短哨和長(zhǎng)哨。
鼻哨是一種最有意義的哨聲。因?yàn)樵谒念l率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)上往往出現(xiàn)拐曲部分，其拐曲形狀如鼻，故曰鼻哨。鼻哨只在高緯地區(qū)（尤其是極區(qū)）出現(xiàn)，從它的頻率-時(shí)間曲線(xiàn)的拐點(diǎn)上可給出地磁場(chǎng)磁力線(xiàn)頂點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。若在極地區(qū)不同緯度上進(jìn)行同時(shí)觀(guān)測(cè)，就能定量地給出高空地磁場(chǎng)變化的數(shù)據(jù)，特別是在磁暴期間的觀(guān)測(cè)，將對(duì)磁暴的形態(tài)及其形成機(jī)理提供有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
除了鼻哨的特殊作用外，哨聲在研究外層大氣中還有其它的重要作用。利用哨聲資料，可以推斷電離層中的電子濃度及其隨高度的分布狀況，這對(duì)改進(jìn)遠(yuǎn)距離通訊很有意義。因?yàn)�，在電離層中，電子濃度在不同高度上分布的情況，強(qiáng)烈地影響著這種遠(yuǎn)距通訊的質(zhì)量。
此外，哨聲的觀(guān)測(cè)研究有助于判定磁場(chǎng)緯度的變化。地球的地理緯度是固定 不變的，但地球磁場(chǎng)的緯度是不斷變化的。經(jīng)常測(cè)定磁場(chǎng)緯度的變化，對(duì)于研究地球磁場(chǎng)極為重要。從哨聲頻率的上限可以推算出地磁緯度，哨聲頻率上限越高時(shí)，地磁緯度越低。哨聲頻率上限約為1000千赫時(shí)，地磁緯度近于0度；頻率為0.1千赫時(shí)，地磁緯度近于80度。
由此可見(jiàn)，進(jìn)行哨聲的觀(guān)測(cè)研究，對(duì)于測(cè)定地磁緯度，改進(jìn)無(wú)線(xiàn)電遠(yuǎn)距離通訊，確定地磁場(chǎng)磁力線(xiàn)頂點(diǎn)的強(qiáng)度等都具有重要意義。南極地區(qū)又為哨聲觀(guān)測(cè)研究提供了極好的場(chǎng)所。
極光，是發(fā)生在極地上空奇特而美麗的自然現(xiàn)象。
從科學(xué)意義上講，極光是從太陽(yáng)表面發(fā)射出來(lái)的帶電粒子流，從外層空間疾馳而來(lái)，猛烈地沖擊著地球南極地區(qū)高空稀薄的大氣層，將大氣分子激發(fā)到高能級(jí)，發(fā)出了耀眼的可見(jiàn)光。打個(gè)比方，如果把地球空間看做一個(gè)電視顯象管，地球磁性層尾部的中央比作電子槍?zhuān)蠘O地區(qū)高層大氣視作熒光屏，那么，極光就是這個(gè)熒光屏上的圖像。
極光出現(xiàn)的強(qiáng)弱取決于太陽(yáng)強(qiáng)度以及太陽(yáng)風(fēng)離開(kāi)太陽(yáng)所攜帶的磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。極光具有巨大的能量，可達(dá)到幾千電子伏特。歷史有記載的極光資料中，最驚人的一次極光出現(xiàn)在1859年，其感生電流強(qiáng)大到美國(guó)的電報(bào)員不用電池便將電報(bào)從波士頓發(fā)到了波蘭。有時(shí)，一次極光的能量能超過(guò)北美的總的發(fā)電能力。顧名思義，極光應(yīng)該出現(xiàn)在極區(qū)，自然，南極地區(qū)是觀(guān)測(cè)和研究極光的好地方。南極的日本昭和基地和中國(guó)中山站就是調(diào)查極光活動(dòng)的有利位置。
一般說(shuō)來(lái)，極光易在67度的地磁緯度和110公里高度附近出現(xiàn)。有時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)陣風(fēng)風(fēng)速超過(guò)其正常風(fēng)速（每秒數(shù)百公里）時(shí)，電離層中的電流增強(qiáng)，影響地磁活動(dòng)。在這種情況下，地磁磁性層被壓縮，極光區(qū)也被推向地磁緯度較低的地方，當(dāng)極光在地磁緯度的61度附近出現(xiàn)時(shí)，南極哈利站和賽普爾站也能觀(guān)測(cè)到。
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極光
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研究極光活動(dòng)的目的，主要在于通過(guò)它來(lái)研究等離子體層中某些物理現(xiàn)象及其對(duì)通訊和衛(wèi)星軌道的影響。這是因?yàn)�，�?dāng)帶電粒子落入極光區(qū)時(shí)，極光區(qū)的帶電粒子可進(jìn)一步產(chǎn)生出一個(gè)電子濃度大大增強(qiáng)的薄層，引起地面發(fā)射機(jī)發(fā)出的高頻無(wú)線(xiàn)電波發(fā)生異常。此外，極光區(qū)的粒子還加熱大氣的最高層，引起那里的局地大風(fēng)。極光還能使熱層（110公里～300公里）大氣明顯變暖，電子濃度增大，影響飛行高度低的極軌衛(wèi)星軌道。
在南極地區(qū)，除了研究哨聲和極光具有極為有利的條件外，觀(guān)測(cè)和研究地磁場(chǎng)的變化也是非常有利的。
例如，在南半球，地磁極和南極點(diǎn)之間的距離是北半球地磁極與北極點(diǎn)之間距離的兩倍。在南極地區(qū)，同一地理緯度但經(jīng)度不同時(shí)，其地磁緯度不同。許多南極地區(qū)考察站位于沿岸差不多相同的地理緯度上，這就為研究一系列地磁緯度上的高層大氣物理提供了獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)。特別是在西經(jīng)零度到90度之間，更是研究與等離子體層頂相聯(lián)系的電離層現(xiàn)象的天然實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)椋挥性谀蠘O這一區(qū)域才能在這么高的地理緯度上研究與等離子體層頂有關(guān)的電離層現(xiàn)象。
又如，在南極圈內(nèi)漫長(zhǎng)的冬夜期間，沒(méi)有因太陽(yáng)輻射而造成的直接電離現(xiàn)象，這就為研究與地磁場(chǎng)相聯(lián)系的電離層特征提供了許多機(jī)會(huì)。
綜上可見(jiàn)，在南極地區(qū)是研究高空大氣物理的極好場(chǎng)所，其中，南極圈內(nèi)的大陸更為這些研究創(chuàng)造了有利條件。
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