ASTRO-BLOG: 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。而太陽黑子 (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300萬K）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。這些電磁波以光速的速度向外圍四散，形成太陽風暴。至於日冕（高達約300萬K）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，以磁力儀測到異常數值，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，會干擾地球的磁場，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，甚至會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，不少科學家正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。