簡單解釋:太陽活動與太空天氣

2020-12-05 量子認知

我們每個人每天都在與太陽的光線親密接觸。太陽位於我們太陽系的中心,它幾乎是熱等離子體與磁場交織著的一個巨大球體,其直徑約為1,392,000公裡,相當於地球直徑的109倍,質量約為地球的333,000倍,約佔太陽系總質量的99.86%。 從化學組成來看,太陽質量的大約四分之三是氫,剩下的幾乎都是氦,還有不到2%的氧、碳、氖、鐵和其他的重元素。

太陽活動

用肉眼望太陽,似乎一切都是恆定不變的,陽光源源不斷地為我們提供溫暖和亮光。實際上,太陽處於不斷地變化之中。太陽是一個極為巨大的熱核反應堆,它將氫原子融合到氦中並產生百萬度的溫度和強磁場。太陽靠近其表面的外層就像一鍋高度沸騰的液體,帶有熱的帶電氣體(處於稱為等離子體的質子態的電子和質子)的氣泡從內部向外循環並爆發進入太空。

從太陽吹來的穩定的粒子流稱為太陽風。太陽風以每小時1千3百萬到8千萬英裡的速度飛離,太陽每秒將一百萬噸的物質帶入太空,並可遠遠超越過太陽系的行星。它的速度、密度和與該等離子體相關的磁場會影響地球在太空磁層中的保護性磁屏蔽。

太陽活動(Solar activity),又稱太陽現象(Solar phenomena),指太陽大氣層裡一切活動現象,如太陽黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和日冕瞬變事件等。由太陽大氣中的電磁過程引起。太陽是一顆磁性的變星,其波動範圍從幾分之一秒到數十億年不等。

太空天氣

太陽活動以光、帶電粒子和磁場的形式使地球和我們太陽系的其餘部分沐浴在能量中,由此產生的影響即所稱為的太空天氣(Space weather)。

我們通常所說的天氣,是大氣狀態的一種表徵,反映大氣是冷還是熱、是乾還是溼、是平靜還是狂暴、是晴朗還是多雲等等。這樣的天氣現象發生在平流層之下的對流層。如果沒有特別指明,「天氣」一般指的是地球上的天氣。

太空天氣在概念上與地面天氣相關的地球大氣層,如對流層和同溫層不同。太空天氣一詞在1950年代首次使用,在1990年代開始普遍使用,就像「天氣」和「氣候」是指地球低層大氣條件一樣,但指的是用於描述地球外太空環境的動態條件。

太空天氣包括太陽、太陽風、近地空間以及我們的高層大氣中的任何條件和事件,這些條件和事件可能會影響星載和地面技術系統以及人類、生命和科技。研究太空天氣的科學又稱為太陽物理學,英語:Heliophysics,其中前綴Helio-,來自希臘字母,表示「太陽」之意。

太陽活動與太空天氣

太陽的活動變化一直是數千到幾千億年氣候變化的主要驅動力,如下圖所示1880年至2018年的太陽輻照度(黃色)與溫度(紅色)的關係圖。

在約45.4億年前地球由太陽星雲的附著物而形成,隨著時間的流逝,早起地球冷卻並形成了硬皮,最終使液態水存在於地表。三到四十億年前,太陽僅發射其當前功率的70%。40億年來,太陽的能量輸出增加,地球大氣的組成發生了變化在接下來的將來的50億年中,太陽最終會死亡將變成紅色巨星,然後是白矮星,這將對氣候產生巨大影響,而紅色巨星階段將可能會終止地球上的任何生命。

太空天氣與太陽活動變條件有關,包括太陽風、地球周圍的空間,如磁層、電離層、熱層、系外層等。

太空天氣如何影響地球?

現代科學技術與當代社會方式依賴於易受極端天氣影響的各種技術。在極光事件期間,沿著地球表面驅動的強大電流會破壞電網,並導致油氣管道的腐蝕。

極光,是一種等離子體現象,主要發生在具有磁場的行星上的高緯度區域,而在地球上的極光帶即是經度上距離地磁極10°至20°,緯度寬約3°至6°的區域。當磁暴發生時,在較低的緯度也會出現極光。

地磁風暴期間電離層的變化會干擾高頻無線電通信和全球定位系統GPS導航。在由太陽質子引起的極頂吸收事件中,跨極穿越航線上的商業客機可能會損害無線電通信。在太陽高能粒子事件和輻射帶增強過程中,太空飛行器暴露於高能粒子會導致暫時的操作異常,損壞關鍵電子設備,使太陽能電池陣列退化以及諸如成像儀和恆星跟蹤儀之類的光學系統失靈。

太陽系中的人類和機器人探索者也受到太陽活動的影響。研究表明,在最壞的情況下,暴露於太陽粒子輻射的太空人可以在事件發生後的幾個小時內達到其允許的暴露極限,地對軌道和地對地通信對太空天氣風暴敏感。

所有太陽活動都會影響地球嗎?

與「太空天氣」相關的太陽活動分為四個主要部分:太陽耀斑、日冕物質拋射、高速太陽風和太陽高能粒子。

僅當太陽耀斑發生在面對地球的太陽一側時,太陽耀斑才會影響地球。因為耀斑是由光子組成的,所以它們直接從耀斑站點中傳播出去,因此,如果我們能夠看到耀斑,就會受到它的影響。

日冕物質拋射(英語:coronal mass ejections,縮寫CME),是從太陽噴發出來的等離子體和磁場的雲。這些雲可以向任何方向噴發,一直向前進。只有當直射日冕物質拋射雲層對準地球時,才會撞擊地球,從而造成影響。

高速太陽風流來自太陽上稱為日冕孔的區域。這些孔洞可以在太陽的任何地方形成,通常,只有當它們更靠近太陽赤道時,這樣的風才會對地球產生衝擊。

太陽高能粒子是高能帶電粒子,主要是由日冕物質拋射和太陽耀斑前部形成的衝擊釋放的。當日冕物質拋射雲團在太陽風中穿過時,會產生高速的太陽高能粒子,由於它們帶電,須遵循遍及太陽與地球之間空間的磁場線。因此,只有遵循與地球相交的磁力線的帶電粒子才會導致撞擊。

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