IV、太阳的变化 - 太阳风暴
在上篇文章《地球的变化(二)》(http://hi.baidu.com/localking001/blog/item/ab7574deb84436d5b7fd4836.html)中我们了解到,地磁活动加快:从20世纪70年代起,地磁抽搐频率加快、磁极移动速度加快。而且,地球磁层是一个高度动态的结构,会随太阳风动态压力和星际磁场(IMF)方向的变化而急剧变化。NASA警告2013年可能会出现超级太阳风暴,那会达到什么程度?对地球又有怎样的影响呢?下面我们就来看一下太阳风及星际磁场等方面都有怎样的变化。 目录 1、太阳结构 (Solar Structure) 正文 1、太阳结构 (Solar Structure) 1.1 太阳的内部(Solar Interior) 太阳核心(Core)半径约是太阳半径的1/4。太阳能量产生自核心,以辐射(主要是伽马射线和X射线)的方式向外扩散穿过辐射区,然后以对流体流动(沸腾运动, boiling motion)的方式穿过最外面的对流层。太阳中心的温度约1500万摄氏度,密度约是150 g/cm^3 [注:约是金密度(19 g/cm^3)的8倍]。辐射区(Radiative Zone)是0.25~0.85个太阳半径的区域,由内往外温度从约700万摄氏度降到200万摄氏度,密度从约20 g/cm^3 [注:与金的密度差不多]降到0.2 g/cm^3 [注:小于水的密度]。界面层(Interface Layer)是辐射区和对流区之间薄薄的小层,被认为是太阳磁场产生的地方。对流区(Convective Zone)是最外面的一层,约0.86~1.0个太阳半径的区域,从20万公里的深处向外延伸至可视表面。对流层底部温度约200万摄氏度,这是一个足够“凉(cool)”的温度,使得较重的离子如碳、氮、氧、钙、铁,得以保住他们的部分电子。在可视表面,温度下降到5700℃,密度仅为0.0000002 g/cm^3[注:约是地球海平面空气密度的万分之一] [02]。
1.2 太阳对流区以外(Visible Sun) 光球层(Photosphere)是我们最熟悉的太阳可视表面,由于太阳是一个气体球,因而它不是一个固体表面,而是一个约100公里厚气层[注:与太阳半径(700,000 公里)相比,可以说非常非常薄] 。用一个有良好过滤功能的简单的远镜,就可观察到的光球的许多特征,包括太阳黑子(sunspots)的暗斑、明亮的光斑和颗粒[01]。
色球层(Chromosphere)是光球上面的不规则层,温度从6000 摄氏度到约2万摄氏度。这样的高温下,氢散发出一种略带红色的光(H-alpha emission),可在日全食期间太阳的隆凸处(prominences)看到。色球层也可看到离子化钙(Ca II)发出的紫罗兰色的光,这在其它类似太阳的恒星上看到过。在色球层可观察到太阳耀斑(solar flares)、隆凸(prominence)和 细丝喷发(filament eruptions) [01]。
过渡区(Transition Region)是太阳大气(the Sun's atmosphere)的一个非常不规则的薄层,将炽热(100万摄氏度)的日冕与凉得多(2万摄氏度)的光球层分开。这样的高温下氢被离子化,因此很难看到。过渡区发出的光,主要像碳四离子(C IV)、氧四离子(O IV)和硅四离子(Si IV)[注:碳、氧和硅,均剥离三个电子]这样的离子发射出的。这些离子发出太阳光谱中的紫外线部分,而且仅能从太空中才可观察到[01]。
日冕(Corona)是太阳的外层大气,在日全食时以太阳周围珍珠白皇冠的样子呈现。日冕有大量特征,包括流光(streamers)、羽流(plumes)和冕环(loops) [01]。
现有理论认为太阳是一个巨大的由内部加热的核聚变反应炉(nuclear fusion furnace),但是却漏洞百出,先进的空间仪器也已经发现很多与核聚变不符合的证据。例如,如果太阳是核聚变炉,那它应该是一个巨大的中微子发射器(中微子却失踪)而且太阳日冕也不会存在(成因仍然是迷)[03]。 2、太阳活动 (Solar Activity) 2.1 太阳黑子(Sunspot)
2.2 太阳耀斑(Solar Flare) 2.3 日冕物质抛射(CMEs, Coronal mass ejections)
太阳耀斑和日冕物质抛射是目前在太阳系中最大的“爆炸””,粗略接近10亿颗氢弹的力量[10]!
2.4 太阳风(Solar Wind) 日冕温度超过1000,000 K,是太阳可视表面温度的几百倍[10]。日冕的温度是如此之高,以至于太阳引力都不能束缚它,因而产生太阳风。尽管已理解为什么会发生,然而关于日冕气体在哪里又是怎样被加速到如此高速度的细节,尚不清楚[13]。
3、太阳磁场 (Solar Magnetic Field) 3.1 星际磁场 (IMF, Interplanetary Magnetic Field)
太阳不停旋转(每27天自转一圈),使得太阳磁场有一个螺旋形状,科学家Parker第一个描述了它,因此又叫做“帕克螺旋(Parker spiral)” [13]。然而真实的太阳磁场并不是理想的帕克螺旋,而是一个纠缠磁场(Tangled magnetic fields)[15] 。
太阳磁场并不局限于其附近,由太阳风运送越过了太阳系内所有行星而遍及太阳系,因此太阳磁场(the Sun's magnetic field)又被称为“星际磁场(Interplanetary Magnetic Field, IMF)”,也就是说太阳系内所有行星都在太阳磁场内[16]。
沿太阳磁场的赤道(the Sun's magnetic equator)平面,方向相反的开放磁力线彼此平行,被一个薄薄的电流片(thin current sheet)隔开,该电流片被称为星际电流片(the interplanetary current sheet) 或日光层电流片(heliospheric current sheet)。因太阳旋转轴和磁轴之间有偏移,电流片是倾斜的。因太阳磁场(the solar magnetic field)的四极矩(quadrupole moment),电流片又是扭曲的。因此当太阳磁场延伸至星际空间时,便呈现一个波浪状结构。地球由于有时位于旋转电流片(the rotating current sheet)上面,有时位于下面,因而经历着有规律的、周期性的IMF极性改变[16]。
3.2 磁波与行星轨道(Magnetic Wave & Planetary Orbits) Stoneking认为引力效应不是决定行星相对间距的唯一因素。在太阳中观察到的周期性脉动的复杂样式(pattern),传入太阳风占主导地位的日光层 (heliosphere)。Stoneking的假设是:这种脉动是一种“离子-声学波(Ion-Acoustic Waves)”形式的波,通过太阳风的媒介运送,以共振系统(resonate system)的方式向外传播,这就意味着它是一种按比例扩张的压力波。微妙的压力差,推动行星进入到与低压区匹配的轨道[18]。
斯通金共振(Stoneking Resonance)显示出了对波得定则(Bode's law) [注:这个定则可以表述为:从离太阳由近到远计算,对应于第n个行星(对水星而言,n不是取为1,而是-∞),其同太阳的距离an=0.4+0.3×2n-2(天文单位)]的惊人校正,即行星是按自然的全音阶比例,从太阳的位置依次隔开的,而这与太阳磁波关联得非常好[17]。
4、太阳周期 (Solar Cycle) 4.1 黑子周期 (Sunspot Cycle)
国际太阳黑子数(ISSN, The International Sunspot Number)由位于比利时的SIDC [20]编制。1700-2006年的年平均黑子数(Yearly Average Sunspot Count)反映了300多年内的黑子数变化。黑子数最多的一次是1958年(S19),达到破纪录的200个。18世纪前30年突然安静,仅有3个非常小的峰值;然后突然活跃了,S8和S11峰值超过140。1876-1934年,太阳活动又减弱,除了S5(1917年),没有一个峰值超过100[21]。
1750-2010年的月平均黑子数(Monthly Averaged Sunspot Numbers)更细致地反映了黑子数变化。黑子数最多的一次是1958年(S19)某月,超过250个[22]。
2009年5月29日,一个由NOAA领导、NASA资助的国际专家组发布了关于下一个太阳活动周期(Solar Cycle 24)的预测,预计2013年5月,第24太阳活动周期将达到顶峰,但黑子数会低于平均水平[23]。
Biesecker指出,“即使低于平均水平,也有能力产生严重的空间气候(space weather)影响。举例来说,1859年(发生了历史上最大的磁暴)所在的太阳周期(S19),跟我们预测的2013年所在的周期(S24),有同样的黑子数水平。” [23]
2008-2009年,太阳创造了太空时代记录(Space Age records):低黑子数、弱太阳风、低太阳辐射,超过2年没有明显的太阳耀斑。Pesnell说“太阳活动谷(Solar minimum)的持续时间已经远超过预测的2007年了[注:11年太阳活动周期末期延长了15个月以上],在我们的职业生涯中,从来没有见过这样的事。” [23]
1859年,发生了历史上最大的磁暴“卡林顿事件(Carrington Event) [24]”。 4.2 磁场逆转周期(Solar Magnetic Reversal Cycle)
通常认为星际磁场(IMF)有一个4纳特斯拉(nanoTeslas)[注:磁场强度单位T(特斯拉)和Gs(高斯)的换算关系是:1T=10^4Gs]的底限,IMF的磁场强度不会低于它[28]。
David Archibald [29]发现,2009年6月近27天的平均值却是3.3纳特斯拉。2009年至今,已有个别天的磁场强度低至1.8纳特斯拉[28]。Svensmark的宇宙气候学(cosmoclimatology)理论,弱的星际磁场(IMF)将允许更多的星系宇宙射线进入地球大气层,造成更多的离子,造成更多的低层云层[30]。
5、小结 (A Summary) 太阳活动有个11年的小周期(黑子周期)和22年的大周期(磁场逆转周期)。对地球影响的强弱并不取决于黑子数多少,影响的关键因素是:有无巨大太阳耀斑的发生。随着电子技术越来越复杂,越来越多地嵌入到日常生活中,它们也变得更容易受到太阳活动的危害。 1700-2006年的年均黑子数变化图,很清楚地展现了11年小周期。 2013年(S24),NASA预测太阳活动会达第24个太阳周期的高峰,爆发的太阳耀斑将以前所未有的程度袭击地球。前所未有,这可能吗?我们看到,本来2007年就该达到11年太阳活动周期的谷底,但这个周期末期延长了15个月以上;2008-2009年,太阳活动破记录:低黑子数、弱太阳风、低太阳辐射,超过2年没有明显的太阳耀斑;这是前所未有的。通常(1880-2008年)认为星际磁场(IMF)有一个4纳特斯拉的底限,IMF的磁场强度不会低于它,但2009年6月平均值却是3.3纳特斯拉,个别天的磁场强度低至1.8纳特斯拉。这也是前所未有。 可见,太阳将从沉睡中爆发的可能性非常大,2013年的太阳活动高峰,强度或许会达1859年的水平,那样的话,由于电子设备的广泛使用,对地球造成的破坏无疑会超过1859年。但这根本不是什么世界末日,历史上已有过很多次太阳活动高峰了! |
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