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2015年6月24日

太陽風暴的形成和影響


By57 Holman  
⼩説橋段中描繪的太陽⾵暴



談及太陽風暴,很多人往往認為這是一種可怕而殺傷力高的自然災害。在一些電影橋段中,太陽風暴被描繪為末日的原因,有些人指出,太陽風暴可能導致至少有十萬人死於飢荒,更甚者指出地球將會重回黑暗時代。   可是,目前為止,以上種種所謂的預言並沒有發生,這些大多只是媒體嘩眾取寵的宣傳技倆罷了。其實太陽風暴是怎麼一回事?




                                                                                       太陽的內部結構                                                                           


太陽是離我們最近的恆星,它是一顆巨大的等離子體 (plasma)等離子體又稱電漿體是指它擁物質除固態、液態、氣態之外存在之第四種形態。太陽有一個核心,而這正是核聚變 (nuclear fusion)發生的地方。核聚變是一種核反應簡單來說就是將兩個較輕的核融合而形成一個重和一個輕的核。核聚變產生的高溫,令該處的物質轉化為電漿形態。高溫使氣體分子 (gas molecules)分解 (decomposed)為原子 (atoms)而電離 (ionized),主要是由離子 (ions)、電子 (electrons)和中性粒子 (neutrons)組成的形態。包圍着核心的是輻射層 (radiation zone),繼而外面是對流層 (convective zone),外圍的則是薄薄的光球層 (photosphere)和色球層 (chromosphere),而最外層則是由高熱氣體所組成的日冕層 (corona)。透過太陽內部帶電物質的流動,太陽磁場因而產生。這使太陽成為太陽系之中最大的磁鐵。

太陽「較差自轉」(differential rotation)造成太陽表面的旋轉週期在赤道和兩極不一。當磁力圈在太陽自轉之際而產生扭曲狀態時,大量的物質會被拋出,這個現象便稱為「日冕物質拋射」。至於磁力圈的扭曲則可視作為一根橡皮圈被不斷扭絞一樣太陽黑子 (sunspot)正正是太陽表層較低溫的位置,這些地方是密集的磁力線穿過太陽表面之位置。黑子看來雖小,卻通常比地球還大!而從黑子區域噴射出來的東西,包含着各種高能量電磁輻射 (electromagnetic radiation),如X射線 (X- ray)、伽馬射線 (gamma ray)。由於在色球層和日冕層的局部輻射突然増加,閃焰 (flare)因而產生。日冕的高溫(高達約300K)使日冕物質的平均動能很高,使它們能輕易脱離太陽的重力。這些電磁波光速的速度向外圍四散,形成太陽風暴。至於日冕(高達約300K)和色球層(約6000K)極大溫差的原因,至今仍然是科學家的煩惱之一。


太陽的較差自轉


日冕物質拋射


因較差⾃轉⽽而產生的太陽⿊⼦


李察・卡靈頓所繪製的太陽⿊子圖


 


太陽的磁⼒圈扭曲就像⼀根扭曲變形的橡皮圈


太陽風暴為地球帶來的影響不容忽視,當中的經典就是1859年發生的卡靈頓事件。在1859年的9月,有很多船隻報稱在夜空中看到不尋常的異光,指南針的指針不斷擺動,多名電報操作員被儀器電撃身亡。一些民眾預言是末日的象徵,科學家們紛紛不知所措。這時,天文學家李察・卡靈頓 Richard Carrington)觀測到一些高能量粒子從黑子羣中噴出,以磁力儀測異常數值,所以他推測太陽正在經歷一埸風暴,而地球也是因這場風暴而遭殃。可是,當時他的說法並未有得到普遍科學家的認同。其後,經過多輪的科學考證,才證實太陽風暴是導致這些怪異現象的原因。


那麼太陽風暴是怎樣令到這些怪異現象發生的呢? 先談談異光的原理,所謂的異光,其實就是極光,而極光是由太陽風或太陽風暴所產生的。它們所產生的帶電高能量粒子,和地球的氣體分子在熱層 (thermal sphere) (大氣層中的其中一層)中碰撞,使這些分子電離化 (ionized),發出一些可見光,就是所謂的極光了。所以,極光也會因為太陽活動活躍而變得更絢麗。


由太陽⾵暴所產⽣的極光


太陽風暴除了帶來令人讚嘆的極光,還會帶來一些令人苦惱的問題。高能量粒子在衝擊地球的電離層之際,會擾地球的磁場,令一些變壓器和電路的電流瞬間上升,以致令電子儀器短暫失靈,甚或造成永久性的傷害。當中影響最大的就是人造衛星了。當人造衛星因太陽風暴而受損,在太空是很難修理,很多時候,可能需要重新發射一顆新的人造衛星作替代品。



⼈造衛星繪圖


太陽風暴的確有機會破壞人造衛星,造成通訊儀器的失靈,它所造成的磁爆 (magnetic storm),亦可能使變壓器直接損壞。磁爆是指太陽風暴帶來的電流沖擊地球磁場。由於電磁輻射的大量增加,大大提升地球電離層的電子密度,甚至令太空船或人造衛星偏離航道,對太空人的生命構成威脅。現在,不少科學家在著手研究如何抵抗太陽風暴帶來的影響,例如進行太空天氣預報,在偵測到太陽風暴將要來臨時,把太空儀器的變壓器關掉,減少太陽風暴所帶來的影響。現在的太空天氣預報主要分為三類包括地磁風暴預警 (geomagnetic storm impacts)、太陽輻射風暴預警 (solar radiation storm impacts)、無線電通信中斷預警 (radio blackout impacts)。這些技術預料能夠應用在太空發展方面,有助人類進一步探索宇宙的奧袐。







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