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太陽風是從恆星上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流並以200-800km/s的速度運動的等離子體流。太陽風對地球的影響很十分明顯,例如造成電網停電,無線電通訊受到干擾,科學衛星脫軌甚至報廢,但是科學家希望從太陽風中解決地球能源問題。

1 太陽風 -定義

太陽風

定義1:太陽向太陽系連續地以很高的速度和不穩定的強度釋放的電離氣體流。當該氣體流在地球附近通過時,它將與地球磁場發生作用並在高層大氣中產生各種效應。所屬學科:大氣科學(一級學科) ;大氣物理學(二級學科)

定義2:日冕因高溫膨脹,不斷拋射到行星際空間的等離子體流。

2 太陽風 -性質

太陽風太陽風

在太陽系中,太陽風的組成和太陽的日冕組成完全相同。73%的是氫,25%的是氦,還有其他一些痕量雜質。目前還沒有精確的測量結果。在地球附近,太陽風速為200-889km/s。平均值為450km/s,大約800kg/s的物質被一太陽風的形式從太陽逃逸。這同太陽光線的等價質量相比是很小的。如果把太陽光線的能量換算成質量,大約每秒鐘太陽損失4.5Tg(4.5×10^9kg)的質量。

因為太陽風是-(zh-hant:電漿;zh-hans:等離子體)-,所以太陽磁場被它承載。一直到大約160Gm(100,000,000英里)的地方,由於太陽的轉動,太陽磁場被太陽風拉扯成螺線形狀。超過此距離,太陽對太陽風的影響減弱。通常太陽風的能量爆發來自於太陽耀斑或其他被稱為「太陽風暴」的氣候現象。這些太陽活動可以被太空探測器和衛星測到,主要標誌是強烈的輻射。被地球磁場俘獲的太陽風粒子儲存在VanAllen輻射帶中,當這些粒子在磁極附近與地球大氣層作用引起極光現象。具有和地球類似的磁場的其他行星也有極光現象。在星際媒質(主要是稀薄的氫和氦)中,太陽風就像是吹出了一個「大泡泡」。

在太陽風不能繼續推動星際媒質的地方稱之為日球層頂(heliopause),這也通常被認為是太陽系的外邊界。這個邊界距離太陽到底多遠還沒有精確的結果,可能根據太陽風的強弱和當地星際媒質的密度而變化。一般認為它遠遠超過了冥王星的軌道。

3 太陽風 -源頭

太陽風太陽風的源頭

據美國宇航局太空網報道,天文學家查找到了兩種類型的太陽風之一缺失的起始點。太陽風是太陽經常向四面八方發射出的一連串帶電粒子流。這些粒子從太陽到達地球所需的時間不超過10天,並且當太陽風變成風暴時,它們與地球磁場結合,就會產生在極地的天空中舞動的美麗極光。  

從太陽的赤道區域發射出來的太陽風,起源於太陽大氣內部的亮區邊緣,當兩個亮區的磁場結合時,就會產生這種太陽風。太陽隨同太陽風一起發射出來的放射物是純粹的能量,太陽風迅速將物質轉移走。太陽的磁場為太陽風的粒子提供了加速度,並且這種磁場的結構會影響太陽風衝進太空時的速度。天文學家根據它們的速度辨認出兩種太陽風。

速度較快的太陽風起源於太陽極點附近的冕洞,它的運行速度每小時大約可達180萬英里(每小時290萬公里)。速度較慢的太陽風來自太陽赤道區域,時速大約可達43.2萬英里到110萬英里(每小時72萬公里到180萬公里)。

4 太陽風 -形成原因

太陽風太陽風

日冕上長期存在著一些長條形的大尺度的黑暗區域。這些區域的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,人們形象的稱之為冕洞。冕洞是太陽磁場的開放區域,這裡的磁力線向宇宙空間擴散,大量的等離子體順著磁力線跑出去,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800km以上。這種高速運動的等離子體流也就是人們所說的太陽風。

太陽風從冕洞噴發而出后,夾帶著被裹挾在其中的太陽磁場向四周迅速吹散。現在人們肯定,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等離子體流的運動,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。於是形成一個空腔,地磁場就被包含在這個空腔里。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。

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分鐘。卡林頓認為自己碰巧看到一顆大隕石落在太陽上。太陽風的發現是20世紀空間探測的重要發現之一。

5 太陽風 -發現歷史

古中國人在對彗星的長期觀察中,認為是太陽的氣將彗尾吹向背離太陽的方向。

20世紀20年代,由於有了更精緻的研究太陽的儀器。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。

在20世紀30年代,科學家已經知道太陽的日冕層有幾百萬攝氏度的高溫,這是從它的在日全食時觀察到的突出形狀推算的。一些非常聰明的光譜分析工作也證實了這個高溫。 在五十年代,英國數學家Sydney Chapman通過計算獲得了在如此高溫及如此好的熱的良導體條件下氣體的性質。他發現日冕一定延伸到地球軌道以外的空間中。同樣在五十年代,德國科學家,Ludwig Biermann對彗星的彗尾的逆太陽方向感興趣,也就是無論彗星是朝向太陽運動,還是遠離太陽而去,他的尾巴總是指向遠離太陽的方向。 他因此推測是太陽吹出來的穩定的風壓迫這個彗尾產生這個現象的。

1958年,Parker預言應該有一股強勁的風從太陽不間斷的吹出來,使等離子體充斥行星際的空間。 在此之前,科學家認為這個空間是一個真空。 Parker 意識到在Chapman的模型中太陽向外發散熱量與Biermann得用來解釋彗尾的假設應該是同一種現象。Parker證明即使日冕被強烈的太陽引力束縛,由於它是熱的良導體。日冕仍然會在離太陽很遠的距離處保持高溫。這是因為引力的大小隨著距離的增大而減小,所以在日冕外層的太陽大氣會逃逸到空間中去。

當時對Parker太陽風假說的反對意見是很強的。 他給天文物理期刊投遞的論文被兩個評審員拒絕了。但是當時的編輯蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(他後來獲得了1983年諾貝爾物理學獎)保存了這篇論文。

在20世紀60年代,這個太陽風假說被直接的衛星觀測證實了。此發現永遠的改變了科學家對行星際空間的看法,並得以解釋很多現象,像「磁暴」(可以使地球上的供電網路癱瘓)、極光還有其他一些太陽地球現象甚至遙遠的恆星形成等

2012年,美國研究人員對阿波羅系列探月飛船帶回的月球土壤樣本進行分析后認為,月球上存在的水可能來源於太陽風,這說明其他一些星球也可能同樣因此而存在水。

6 太陽風 -分類

持續太陽風

太陽風這是一張藝術示意圖,展示的是地球的全球性磁場,可以看到磁場前端的弓形激波區。圖像中央位置是地球,被自身的磁場包圍,在圖中磁場被用紫色線條描繪出來。而右側的亮藍色半月形區域便是弓形激波區。圖中還有很多金色區域,其代表的是太陽風中的高能帶電粒子,它們中的很多都被地球磁場捕獲了。
一種是所謂的「持續太陽風」或稱「寧靜太陽風」,即射流速度比較小,而微粒含量也不大的太陽風。這種太陽風起源於平靜的日冕區,開始時日冕物質以較低的速度作膨脹,漸漸離開太陽表面。隨著離太陽距離的增加,膨脹的速度變大,密度不斷減小,等到達地球的時候,射流速度一般在每秒鐘450千米左右,每立方厘米含質子數通常不超過10個。這種太陽風通常對地球的影響不是很大。

擾動太陽風

另一種則是「擾動太陽風」,即在太陽活躍時期噴射出的粒子流。這種太陽風與太陽拋射物質事件或爆發現象有關,還有時伴有高能荷電粒子的大量增加,其射流速度一般可以達到每秒鐘1000-2000千米,粒子密度也比較大,每立方厘米可含質子幾十個。擾動太陽風由於其高速高粒子含量的特點,可以對地球產生產生比較明顯的干擾。這是因為太陽風所含的微粒主要為氫粒子和氦粒子,當到達地球的電離層時,就會對地球磁場產生擾動,因而對地球的通信等方便造成影響。比方說,太陽風會造成人造地球衛星短路,因而對全球的衛星通信造成障礙,甚至使通訊中斷。而對於飛機的飛行以及人造衛星而言,這樣的通訊故障有時候會帶來災難性的後果。飛機失去了地面導航,猶如瞎了眼睛一般;而衛星失去了地面通信,則可能迷失方向,甚至於脫離地球軌道。

7 太陽風 -影響

太陽風太陽風

太陽風雖然猛烈,卻不會吹襲到地球上來。這是因為地球有著自己的保護傘——地球磁場。地磁場把太陽風阻擋在地球之外。然而百密一疏,仍然會有少數漏網分子闖進來,儘管它們僅是一小撮;但還是會給地球帶來一系列破壞。當太陽風攜帶的質子衝擊到上層大氣層,就會分解臭氧層中的氮氣分子,形成氮氧化物。這些氮氧化物可以存在幾周甚至幾個月之久,因而足以破壞高度為15至50公里的上層同溫層中9%的臭氧。

破壞性

1.當太陽風掠過地球時,會使電磁場發生變化,引起地磁暴、電離層暴,並影響通訊,特別是短波通訊。

2.對地面的電力網、管道和其它大型結構發送強大元電荷,影響輸電、輸油、輸氣管線系統的安全。

3.對運行的衛星也會產生影響。 

4.一次太陽風的輻射量對一個人來說很容易達到多次的X線檢查量。它還會引起人體免疫力的下降,很容易引起病變,也會使人情緒易波動,甚至車禍增多。

5.會使氣溫增高。 

6.在南北極形成極光。 

引發的災難事件

1989年3月13-14日,太陽風暴造成加拿大魁北克地區電網停電;全球無線電通訊受到干擾;日本一顆通訊衛星異常;美國一顆衛星軌道下降;

1991年4月29日,強磁暴發生后使美國緬因州核電廠發生災難性破壞;

1994年1月20-21日,兩個加拿大通訊衛星發生故障;

1997年1月6-11日的日冕物質拋射使AT&T公司通訊衛星報廢;

1998年5月19日美國銀河四號通訊衛星失效,同時德國一顆科學衛星報廢;

2000年7月14日歐美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科學研究衛星受到嚴重損害,日本的ASCA衛星失控,AKEBONO衛星的計算機遭到破壞;

2003年10月28日,歐美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科學研究衛星受到不同程度損害,日本「回聲」衛星失控;

2010年8月4日晚(格林尼治時間),受太陽風暴影響,英國出現壯觀的極光現象;位於同一磁緯度的丹麥和美國北部密歇根州也出現了壯觀的極光現象;8月1日,太陽表面出現太陽風暴,數噸等離子體拋入行星際空間,當這些等離子體抵達地球大氣,便產生絢麗的極光。

8 太陽風 -其它發現

2012年10月,英國《自然-地學》雜誌刊登報告說,美國研究人員對阿波羅系列探月飛船帶回的月球土壤樣本進行分析后認為,月球上存在的水可能來源於太陽風,這說明其他一些星球也可能同樣因此而存在水。

美國田納西大學等機構的研究人員報告說,他們對阿波羅11號、16號和17號飛船帶回的月球土壤樣本進行了分析,結果顯示,其中所含有的氫氧基中的氫原子,其同位素比例等特徵與太陽風中的氫原子相似。氫氧基是由一個氫原子和一個氧原子組成的原子團,再加上一個氫原子就變成了水。

他們發現,每100萬份凝聚物包含200到300份水和水分子片段羥基。然後他們藉助光譜學查看氫相對於氘(重氫)的比例,結果發現,氫相對於氘的比例極其低,與太陽風裡發現的這一比例基本相符。


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