日地物理與太空天氣

        太陽已經活了五十億年,未來還可以再活五十億年,感覺上好像永恆;但其實太陽中心不斷進行核融合反應,每秒把七千億噸的氫,融合為六千九百五十億噸的氦,減少的質量轉換為輻射能,發出光和熱,每秒發出的能量,可提供整個美國九萬年所需。

        地球離太陽一億五千萬公里(一天文單位),冥王星離太陽四十天文單位,而太陽風所能到達的距離是一百六十天文單位,所以整個太陽系都籠罩在太陽大氣之中;太陽每分鐘噴射出幾百萬噸帶電物質,但在廣大太空中,仍非常稀薄,雖然如此,還是會造成天氣變化,就是「太空天氣」。

        太空天氣變化會影響地球,最近一次是二○○一年三月,讓北美與亞太經過極區的飛機航線通通改道,以策安全;一九九八年五月的那次,更造成美國AT&T公司一顆價值兩億美元的通訊衛星無法運作,北美九成手機及多家電視廣播通訊因此中斷;一九八九年三月則造成加拿大魁北克有六百萬人因此停電九小時。

        太空天氣變化的因素除了太陽風外,還有太陽閃焰和日冕拋射物質。,太陽閃焰是太陽系中最猛烈的爆發事件,威力相當地球上火山爆發的一千萬倍,時間持續幾分鐘,以接近光速射出各種高能粒子和射線;日冕是因日食時看起來像皇冠而得名的太陽表面大氣,日冕拋射物質可說是太陽的颱風,能量相當於十萬個地球上的颱風,會噴射出一百億噸幾百萬度的大型帶電電漿團,速度為每秒兩千多公里。

        至於較耳熟能詳的太陽黑子,黑的原因是溫度較低,太陽表面溫度六千度,太陽黑子區域則只有四千度,有時範圍可相當於幾十個地球;成因則是磁暴,因太陽表面是流體,赤道和南北極自轉速率不同,跟地表「黏」在一起的磁力線就會扭曲、變亂而產生磁暴,結果是太陽南北極磁場每十一年就顛倒一次,太陽黑子數也每十一年呈現周期性變化。

        太陽表面天氣現象如此劇烈,整個太陽系都在各種高能粒子、射線攻擊範圍內,為何地球上的生物能存活下來?距地表四十公里內的大氣層中有臭氧,會吸收紫外線;再上去到八百公里高度是電離層,有非常濃的電子,可導電,會吸收X射線。

        之外還有磁層,向陽面可到六萬四千公里,背陽面更可到幾千個地球半徑,像彗星的長尾巴,是像「繭」一樣的保護殼;而且不只地球有,九大行星中只有金星和火星沒有磁層。太陽風應該進不了地球,但就像風雨中的車子,若車窗沒關緊,雨水就會滲進來,事實上大約有百分之一的太陽風會侵入磁層。

        極光就是太陽風進入地球所造成,這百分之一的太陽風繞到地球後面,再順著磁層打向地球夜側,在午夜左右,這些帶電物質高速撞向大氣層中的氮原子和氧原子,就會發光;因為磁場作用,南北極光一定會同步出現,通常不在南北極中心,而在其他高緯度地區,太空天氣強烈爆發時,也可能在中低緯度地區看見,最遠曾在接近赤道的新加坡看到。

        太空天氣為何會危害人類生活?舉例來說,當太陽放出特別強烈的X射線時,會加溫電離層,造成電磁波傳送頻率改變,而人類都是利用電離層進行通訊,當然會受影響;另外電離層溫度升高後,空氣摩擦力變大,在這個高度運行的人造衛星速度就會被拖慢,甚至掉下來。

        另外太空中磁場改變時,會產生電場,人類使用的電纜、油管,都是導體做成,會因此出現大電流,就容易燒壞;其他如太空人、坐飛機經過極區的乘客和衛星上的精密電子元件,也都無法承受太陽輻射直接攻擊。

        應該如何因應? 太空天氣研究發展五十年,是很新的知識,太空這麼大,只有透過多點式密集觀測與監控,才能設法預報;目前太空天氣預報準確度已有百分之五十左右,與六十年代天氣預報差不多,若能在劇烈變化前,爭取卅分鐘時間,就可通知電力公司提早因應,避免造成大停電,帶來重大損失。

(摘錄至中央大學郝玲妮教授演講稿。資料來源【2003/10/05 聯合新聞網】)

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