太陽風

太陽風

太陽風暴指太陽在黑子活動高峰階段產生的劇烈爆發活動。太陽風暴爆發時釋放大量帶電粒子所形成的高速粒子流,嚴重影響地球的空間環境,破壞臭氧層,可以幹擾無線通信,對人體健康也有一定的危害。科學家預計2013年將會出現超級太陽風暴。

  • 中文名稱
    太陽風
  • 特點
    高速帶電粒子流,產生極光
  • 學科
    物理,天文,太陽
  • 屬性
    太陽日冕層高能粒子流噴發

基本信息

太陽風是從恆星上層大氣射出的超高速電漿(帶電粒子)流。在不是太陽的情況下,這種帶電粒子流也常稱為“恆星風”。

基本簡介

太陽風

太陽風[1-2]的密度與地球上的磁場密度相比是非常稀薄而微不足道的。一般情況下,在地球附近的行星際空間中,每立方釐米有幾個到幾十個粒子,而地球上風的密度則為每立方釐米有2687億億個分子。然而太陽風雖十分稀薄,但它刮起來的猛烈勁,卻遠遠勝過地球上的風。在地球上,12級台風的風速是每秒32.5米以上,而太陽風的風速,在地球附近卻經常保持在每秒350~450千米,是地球風速的上萬倍,最猛烈時可達每秒800千米以上。太陽風是從太陽大氣最外層的日冕,向空間持續拋射出來的物質粒子流。這種粒子流是從冕洞中噴射出來的,其主要成分是粒子和氦粒子。太陽風有兩種:一種持續不斷地輻射出來,速度較小,粒子含量也較少,被稱為“持續太陽風”;另一種是在太陽活動時輻射出來,速度較大,粒子含量也較多,這種太陽風被稱為“擾動太陽風”。擾動太陽風對地球的影響很大,當它抵達地球時,往往引起很大的磁暴與強烈的極光,同時也產生電離層騷擾。太陽風的存在,給我們研究太陽以及太陽與地球的關系提供了方便。

太陽風使彗星形成長長的,背向太陽方向延伸的彗尾。當人們欣賞美麗的彗尾的時候就可以想象太陽風的存在。在地球高緯區看到的多彩的極光現象,也是進入地球磁場的太陽風粒子經加速後在地球大氣中沉降產生的。空間飛船的直接觀測表明,太陽風主要由質子和電子組成,但有少量氦核及微量重離子成分。據推測,在約100個天文單位(1天文單位=日地平均距離=1.5×10^8公裏)以外,太陽風將與起源于銀河系的星際氣體交接,太陽風佔據的空間範圍稱為“日球層”。研究太陽風的物理過程及其規律已成為空間物理學中一個新的學科分支-日球層物理學。

太陽風

我們觀察近日彗星的記錄裏面還很少有彗星在太陽表面消失的記錄,但是從現有的零星記錄來看,掠日彗星鑽進太陽其發生的影響更為嚴重,特別是那些磁場強度高的彗星,帶來的太陽活動激化程度更為明顯。這種激化的太陽活動,必然對地球的生態圈帶來強影響,過去的研究往往局限于短時間的影響,如電離層的日變化或者雷射的出現等,其實對地球長期氣候的擾動更是十分顯著,太陽11年的活動周期,使得地球不同地區的農業收成有著同步的變化,這是因為,幹旱和洪澇災害引起的牽連效應。更有甚者,由于太陽活動的周期影響,生物種群的遺傳變異也有顯著的變化,最早印度科學家發現流行病細菌,病毒的流行和太陽活動有關,當初還被人誤解,現在就成了科普常識。

觀測歷程

1850年,一位名叫卡林頓的英國天文學家在觀察太陽黑子時,發現在太陽表面上出現了一道小小的閃光,它持續了約5分鍾。卡林頓認為自己碰巧看到一顆大隕石落在太陽上。

到了20世紀20年代,由于有了更精致的研究太陽的儀器。人們發現這種“太陽光”是普通的事情,它的出現往往與太陽黑子有關。例如,1899年,美國天文學家霍爾發明了一種“太陽攝譜儀”,能夠用來觀察太陽發出的某一種波長的光。這樣,人們就能夠靠太陽大氣中發光的氫、鈣元素等的光,拍攝到太陽的照片。結果查明,太陽的閃光和什麽隕石毫不相幹,那不過是熾熱的氫的短暫爆炸而已。

小型的閃光是十分普通的事情,在太陽黑子密集的部位,一天能觀察到一百次之多,特別是當黑子在“生長”的過程中更是如此。像卡林頓所看到的那種巨大的閃光是很罕見的,一年隻發生很少幾次。

有時候,閃光正好發生在太陽表面的中心,這樣,它爆發的方向正沖著地球。在這樣的爆發過後,地球上會一再出現奇怪的事情。一連幾天,極光都會很強烈,有時甚至在溫帶地區都能看到。羅盤的指針也會不安分起來,發狂似地擺動,因此這種效應有時被稱為“磁暴”。隨著科技的進步,極光的奧秘也越來越為我們所知,原來,這美麗的景色是太陽與大氣層合作表演出來的作品。在太陽創造的諸如光和熱等形式的能量中,有一種能量被稱為"太陽風"。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子,是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流。太陽風在地球上空環繞地球流動,以大約每秒400公裏的速度撞擊地球磁場。地球磁場形如漏鬥,尖端對著地球的南北兩個磁極,因此太陽發出的帶電粒子沿著地磁場這個"漏鬥"沉降,進入地球的兩極地區。兩極的高層大氣,受到太陽風的轟擊後會發出光芒,形成極光。在南極地區形成的叫南極光。在北極地區形成的叫北極光。

太陽風

在本世紀之前,這類情況對人類並沒有什麽影響。但是,到了20世紀,人們發現,磁暴會影響無線電接收,各種電子設備也會受到影響。由于人類越來越依賴于這些設備,磁暴也就變得越來越事關重大了。比如說,在磁暴期內,無線電和電視傳播會中斷,雷達也不能工作。

太陽風暴是太陽因能量增加向空間釋放出的大量帶電粒子流形成的高速粒子流。由于太陽風暴中的氣團主要內容是帶電電漿,並以每小時150萬到300萬公裏的速度闖入太空。因此,它會對地球的空間環境產生巨大的沖擊。太陽風暴爆發時,將影響通訊、威脅衛星、破壞臭氧層

科學家形象地把太陽風暴比喻為太陽打“噴嚏”。太陽的活動對地球至關重要,因而太陽一打“噴嚏”,地球往往會發“高燒”。

太陽風暴隨太陽黑子活動周期每11年發生一次。從去年起,進入太陽黑子的高峰年。太陽黑子進入活躍期,並將持續到今年夏季。

據悉,70年代的一次太陽風暴導致大氣活動加劇,增加了當時屬于蘇聯的“禮炮”號空間站的飛行阻力,從而使其脫離了原來的軌道。1989年,太陽風暴曾使加拿大魁北克省和美國新澤西州的供電系統受到破壞,造成的損失超過10億美元。由太陽黑子活動引起的太陽風暴對商業衛星也是重大的考驗。

太陽風

目前,各國科學家正在積極研究太陽風暴,但是對太陽劇烈活動、太陽黑子爆發、太陽風暴對地球的具體影響以及如何預防,還需進行不懈的研究。

天文學家更加仔細地研究了太陽的閃光,發現在這些爆發中顯然有熾熱的氫被拋得遠遠的,其中有一些會克服太陽的巨大引力射入空間。氫的原子核就是質子。因此太陽的周圍有一層質子雲(還有少量復雜原子核)。1958年,美國物理學家帕克把這種向外涌的質子雲叫做“太陽風”。

向地球方向涌來的質子在抵達地球時,大部分會被地球自身的磁場推開。不過還是有一些會進入大氣層,從而引起極光和各種電現象。向地球方向射來的強大質子雲的一次特大爆發,會產生可以稱為“太陽風暴”的現象,這時,磁暴效應就會出現。

使彗星產生尾巴的也正是太陽風。彗星在靠近太陽時,星體周圍的塵埃和氣體會被太陽風吹到後面去。這一效應也在人造衛星上得到了證實。像“回聲一號”那樣又大又輕的衛星,就會被太陽風顯著吹離事先計算好的軌道。

形成原因

太陽風

一般情況下,我們把太陽大氣分為六層,由內往外依次命名為:日核,輻射區,對流層,光球,色球和日冕。日核的半徑佔太陽半徑的四分之一左右,它集中了太陽質量的大部分,並且是太陽百分之九十九以上的能量的發生地。光球是我們平常所見的明亮的太陽圓面,太陽的可見光全部是由光球面發出的。

而日冕位于太陽的最外層,屬于太陽的外層大氣。太陽風就是在這裏形成並發射出去的。

用X射線或遠紫外線拍下的日冕照片上可以觀察到在日冕中存在著大片的長條形的或是不規則行的暗黑區域,通過人造衛星宇宙空間探測器拍攝的照片,我們可以發現在日冕上長期存在著這些長條形的大尺度的黑暗區域,這裏的X射線強度比其他區域要低得多,從表觀上看就像日冕上的一些洞,我們形象的稱之為冕洞。

冕洞是太陽磁場的開放區域,這裏的磁力線向宇宙空間擴散,大量的電漿順著磁力線跑出去,形成高速運動的粒子流。粒子流在冕洞底部速度為每秒16km左右,當到達地球軌道附近時,速度可達每秒300~400km以上。這種高速運動的電漿流也就是我們所說的太陽風。

太陽風從冕洞噴發而出後,夾帶著被裹挾在其中的太陽磁場向四周迅速吹散。現在我們肯定,太陽風至少可以吹遍整個太陽系

當太陽風到達地球附近時,與地球的偶極磁場發生作用,並把地球磁場的磁力線吹得向後彎曲。但是地磁場的磁壓阻滯了電漿流的運動,使得太陽風不能侵入地球大氣而繞過地磁場繼續向前運動。于是形成一個空腔,地磁場就被包含在這個空腔裏。此時的地磁場外形就像一個一頭大一頭小的蛋狀物。

但是,當太陽出現突發性的劇烈活動時,情況會有所變化。此時太陽風中的高能離子會增多,這些高能離子能夠沿著磁力線侵入地球的極區;並在地球兩極的上層大氣中放電,產生絢麗壯觀的極光

太陽風構成人類活動的外層空間環境。太陽大氣的擾動通過太陽風傳到地球,通過與地球磁場的相互作用,有時會引起一系列影響人類活動的事件。例如通訊衛星失靈、高緯區電網失效,及短波通訊、長波導航質量下降等。太陽風的變化還可能會引起氣象和氣候的變化。由于21世紀人類將進一步利用地球的外層空間環境,空間環境預報(或叫“空間天氣”預報)將會十分重要。搞清楚太陽風的起源及其加熱和加速機製對于建立有效的空間天氣預報體系有著十分重要的意義。宇宙中,許多恆星,以至許多星系都會向外發出它們自己的“風”,導致其物質的損失並影響其周圍的星際空間或星系際空間。太陽風是唯一能直接觀測到的恆星風。對太陽風起源和加速機製的研究必然對這一普遍的“風”的現象“宇宙電漿”的認識有著至關重要的影響。

科學研究

一間窗戶被風刮開的房子,雖然整體上能抵御猛烈風暴的襲擊,但

太陽風暴(2張)

破窗而入的狂風會將屋裏刮得一團糟。最新研究表明,地球磁場在太陽風面前就像是一間容易“漏風”的房子,其“漏洞”會持續“透風”長達數小時,為來自太陽的帶電粒子進入地球大氣層、擾亂通信和電力系統等提供可乘之機。

在最新一期英國《自然》雜志上,美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員公布了這一研究結果。研究人員說,新結果有助于更好地預測太陽風暴等惡劣“太空天氣”可能給地球造成的影響。

太陽上不時會刮出由帶電粒子構成的太陽風。如果太陽活動變得劇烈,太陽風也會跟著狂暴起來。地球自身有一個綿延至太空中數萬公裏的磁場,能夠構成抵御太陽風的保護性屏障。不過,這道屏障並非沒有破綻。早在1961年,英國帝國理工學院的鄧恩蓋博士就曾預測,當太陽風所包含的磁場朝向在局部上與地球磁場朝向相反時,兩個磁場的“磁重聯”過程會導致地球磁場保護屏障產生縫隙,使太陽風的帶電粒子得以乘虛而入。其他科學家後來證實了縫隙的存在,但地球磁場的這種縫隙是時開時合,還是會長時間保持洞開,科學家們一直不清楚。

加利福尼亞大學伯克利分校的弗雷介紹說,他和同事借助美國宇航局的IMAGE探測器和歐美合作的“星團”計畫所屬衛星的觀測資料,首次發現地球磁場縫隙會長達數小時處于敞開狀態。據他們測算,在距地球表面約6萬公裏的地球磁場屏障邊界上,縫隙面積可能達到了地球面積的兩倍,由此進入的太陽風最終在北極上方電離層中產生相當于美國加利福尼亞州大小的質子極光。

太陽風的發現是20世紀空間探測的重要發現之一。經過近40年的研究,對太陽風的物理性質有了基本了解,但是至今人們仍然不清楚太陽風是怎樣起源和怎樣加速的。太陽風是怎樣得到電漿的供應及能量的供應的問題是空間物理學領域中經長期研究仍懸而未決的一大基本課題。

最強爆發

2012年,5年來最強的一次太陽風暴在3月7日上午噴發,直接受其影響的就是無線通訊。大量質子經過30多小時的太空遨遊,在8日晚8點左右抵達地球大氣層外層。專家說,這個黑子群還在擴大。

黑子群面積比地球大得多

春節期間,太陽風暴讓蘇格蘭、加拿大、挪威等國家都出現了壯麗的極光,但同時,讓加拿大的居民們感到苦惱不已:輸電線電流、無線電波傳播、電視信號和電話信號都受到了影響……

太陽表面的深色區域就是黑子活動區

中科院紫金山天文台研究員季海生的辦公室內,三台電腦“監視”著太陽。“太陽的表面上有5個黑子群,最大的一個黑子群就是11429。”電腦中的太陽呈淺蛋黃色,表面有5個黑色區域,其中11429最大。別看它就那麽一點點,但實際面積大得很,“比地球大得多。長10萬公裏、寬5萬公裏。”季海生說,2012年3月1日,11429開始出現在太陽東面的區域,快速成長膨大,逐漸發威。

從1日到8日,已經噴發了幾十次耀斑,光X級耀斑就有3次,M級13次,C級31次。

“黑子群11429在7日產生了11個太陽耀斑,目前頻率已經在下降了。”季海生分析,盡管11429依然在變大,但它已經步入“老年”,即便產生耀斑威力已經不會大于X5.4級。“根據經驗,它兩天左右應該就衰老了。”盡管太陽黑子群在逐漸衰老,但它7日產生的X5.4級太陽耀斑威力卻在逐漸顯現。

季海生介紹,X5.4級耀斑經過30多個小時的遨遊,8日晚8點左右抵達地球。

幹擾電網

北極航線繞行

據了解,2012年和2013年是太陽活動極大期,太陽黑子從現在開始將更加頻繁地出現,數量也會逐漸增多。太陽磁場活動將會帶來更頻繁的太陽耀斑日冕物質拋射,以及大量的無線電幹擾。在中緯度地區偶爾也能看到。

專家介紹,伴隨人們越來越依賴電子、電訊設備,太陽風暴對人們的幹擾也逐漸顯現。GPS、電話通訊由于太陽風暴來襲,難免“短路”,而一些國際航班,要途經北極、南極的都會繞道或者延誤。“對于途經北極的航班來說,太陽風暴來襲的時候是個噩夢,飛機會受到更大的太陽輻射,而且飛機上的電子設備會突然失靈,讓飛機陷入困境。

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