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解密太空天氣:太陽系中我們難察覺,但真實存在的風暴——《科學月刊》

呂凌霄/中央大學地球科學院太空科學研究所教授,研究領域包含太空電漿物理、電腦數值模擬、太陽物理、磁層物理、行星際空間物理、激震波等。

 

太空天氣(Space Weather這個名詞, 早在距今約六十年前,也就是蘇、美首顆人造衛星升空的年代(1957~1958 年),就已經被提出來使用過了。可是當時科技不夠發達,因此太空天氣的變化,對一般民生的影響,微乎其微。因此其後的三十年,太空天氣這個名詞很少出現在文獻與新聞報導中,但是科學家仍沿用氣象中storm(暴風雨/暴風雪)這個字眼,來描述某些特殊的太空天氣事件,例如,日磁暴(solar magnetic storm)、磁暴(magnetic storm)、磁副暴 (magnetic substorm)、電離層暴(ionospheric storm)等。隨著科技的進步,同步衛星、全球衛星定位系統(GPS)、長距離的電力傳輸、越洋航空、太空探險,都深受這些太空中 storms 的影響。因此在三十年前,太空天氣再度被提出來,並成為太空科學家與一般民眾溝通的重要話題。

什麼是太空天氣?

太空天氣就是太空中的游離態氣體與磁場所構成的電磁環境與變化。雖然太空中好天氣的時間佔一半以上,但是談到太空天氣,大家想到的都是惡劣的太空天氣。驅動太空天氣的能量來源是太陽。圖一顯示太陽內部的結構。太陽的核融合反應產生的高溫讓太陽的大氣成為游離態氣體(電漿,plasma)。而影響太空天氣甚巨的太陽磁場,則是在太陽的對流層中產生的,其中表面對流層是超米粒組織與黑子的產生區,也是浮出太陽表面之暗紋與日珥等磁繩結構的主要產生區。


在繼續解釋之前,先看看太陽內部結構

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圖一

對流層 Convective Zone

位於距離中心0.7~1 太陽半徑的區域,由於太陽外部為寒冷的太空,導致此區氣體溫度快速向上遞減,造成不同程度的對流不穩定。透過游離氣體的對流運動,太陽的磁場在對流層產生。反過來,對流層的磁場也會影響游離氣體的運動。

輻射層 Radiative Zone

位在距離中心0.25~0.7 太陽半徑的區域,它就像X 光檢查室外的厚重鉛門,阻擋致命的短波輻射X ray 與γ ray。太陽的核反應所產生的短波輻射,被輻射層中的粒子不斷的吸收、放射,以至於平均大約要花150~200 萬年(也有人估計不到100 萬年),才能穿過這個緻密的輻射層,並成為較長波的紫外線與可見光。

核心 Core:位在距離中心0.25 太陽半徑以內的區域為太陽核融合反應區。

米粒組織 granulation

是太陽表面的一種極淺層快速對流。成因是因為越接近太陽表面,溫度梯度越大,對流也越旺盛。米粒組織中央明亮邊緣較暗,是造成觀測上「太陽五分鐘震盪」的主因。米粒組織對太空天氣的影響甚微,但它們卻是太陽觀測上最糟糕的天然雜訊,嚴重影響科學家對太陽對流層的觀測。

超米粒組織 supergranulation

是位在米粒組織下方的對流系統,約涵蓋0.9~1 太陽半徑的區域。超米粒組織邊緣為徑向強磁場區。更深層的高溫游離態氣體,可沿著這些磁場直達太陽表面。因此超米粒組織邊緣比中央區域更為明亮。

太陽黑子 sunspot:通常在超米粒組織邊緣形成。太陽黑子深度也差不多是0.1 太陽半徑。


日磁暴造成的惡劣太空天氣

用氫αH-alpha)光譜觀測太陽,在太陽盤面可以看到長短粗細不同的暗紋(filaments),暗紋轉到在太陽盤面邊緣就是光亮浮起的日珥(prominence),如圖二所示。長又粗的大尺度暗紋,生命期超過半個月(太陽自轉週期約一個月),開始上升後,要一天左右才會噴發。太陽黑子群附近對流旺盛,容易形成細又短的暗紋,生命期只有兩三天。開始上升後,只要幾小時就會噴發。在活動區一條細短暗紋噴發後,很快又會形成另一條細短暗紋。暗紋噴發時,會遇到上方的日冕(corona),於是就會像幼兒用筷子撈麵那樣,一部分麵條滑落麵碗,形成太陽閃焰(solar flare),一部分麵條打入空中變成日冕物質拋射(coronal mass ejection, CME)。噴發後的暗紋就變成磁雲。在磁雲與CME 的前方會形成激震波。這整個過程就構成了日磁暴事件。因此當一團黑子群出現在太陽盤面時,我們就可預期未來半個月,會持續有多次的日磁暴事件發生。至於盤面上大尺度的暗紋噴發,就像非地震帶的地震,很難預測!

圖二 (Big Bear Solar Observatory)

圖二:太空中大尺度的磁場與電漿交互作用,就像浸泡在糖漿中的棉線與糖漿的交互作用,糖漿動可以帶著棉線動,拉動棉線也可以讓糖漿移動。根據日震學的觀測,0.9~1 太陽半徑的區域,高低緯的徑向速度切很強,且方向相反。這樣的速度切所造成的渦流會逐漸旋緊通過該區的磁場,形成強磁場的磁繩(magnetic flux rope),並逐漸將電漿排除在外,使磁繩重量減輕,浮出太陽表面。磁繩中剩餘的電漿,在強磁場中容易輻射冷卻,變成由部分游離的電漿所構成的暗紋(filaments),側面看過去就是日珥(prominence)。這張影像是大熊湖太陽天文台(BBSO)套疊「盤面」與「邊緣」兩張影像所建構而成的。高低緯上層對流層的速度切不同所形成的大尺度暗紋在中低緯度浮出對流層時,還會帶動附近的對流(白色光亮的活動區),導致黑子以及黑子附近小尺度「細短」暗紋的形成。圖/Big Bear Solar Observatory

日冕洞與高速太陽風造成的惡劣太空天氣

太陽除了藉著日珥噴發,噴出密度高、速度快的電漿外,平時太陽表面的電漿也會因為外太空電漿密度低所造成的壓力梯度力,持續吹出太陽風(solar wind)。由於日冕洞(coronal hole)區域的磁場接近徑向,因此來自日冕洞的太陽風,平均風速可達每秒800 公里。相較之下,來自日冕區的太陽風,平均風速只有每秒400 公里左右。當日冕洞移到緯度比較低的區域時,隨著太陽自轉,就有可能出現從日冕區吹出來的低速太陽風,被後方來自日冕洞的高速太陽風追撞,而形成行星際激震波(Interplanetary shock wave),如圖三所示。因此,只要在太陽X 光影像(solar X-ray image)中,看到一大塊日冕洞,正掃過太陽盤面中央區,科學家就會預測未來一兩天會有惡劣的太空天氣了。

慢速太陽風來自日冕區(約400 km/s) 高速太陽風來自日冕洞(約800 km/s) 太陽活動上升期或下降期,日冕洞可能出現在低緯地區

圖三-1
太陽活動極小週期,日冕洞出現在南北兩極(黑色區塊)。
慢速太陽風來自日冕區(約400 km/s)
高速太陽風來自日冕洞(約800 km/s)

太陽風中的磁場,在黃道面上的投影。 高速太陽風追撞低速太陽風,造成行星際激震波。

圖三-2
太陽活動上升期或下降期,日冕洞可能出現在低緯地區。
橘色線:太陽風中的磁場,在黃道面上的投影。
粉紅色區塊:高速太陽風追撞低速太陽風,造成行星際激震波。

宇宙射線與太空天氣

太陽閃焰與各種激震波都可以有效的加速粒子。其中帶正電的粒子,質量比較大,一旦被加速後,就很難被減速,因此在日珥噴發後,會發生太陽高能正質子事件(solar proton event)。外太空超新星爆炸所產生的激震波,也會產生高能的粒子,且能量更高。這些粒子也會進入太陽系,影響太空天氣。由於這些高能的正離子,以接近光速的速度前進,因此早期的科學家,誤以為它們是一種光,所以稱它們為宇宙射線(cosmic ray)。由於宇宙射線是一種高能的正離子,所以科學家就把它們比做太空天氣中的「雨」,取諧音為cosmic rain。宇宙射線雨和太陽風合起來就是有風有雨的太空天氣了!

磁暴與磁副暴造成的惡劣太空天氣

除了太陽閃焰與各種激震波可以產生高能的帶電粒子,地球的磁場風暴也會產生本土性的高能粒子事件。浸泡在太陽風中的磁層,可說是一座最好的風力發電機,可將太陽風的能量,轉換為電磁能,推動磁層與電離層中電漿的環流運動。然而穩定的環流,很容易被異常的能量來源所破壞。當高速太陽風、行星際激震波吹過磁層時,或是太陽風中的磁場具有南向分量時,都會在地球的磁層中,灌入異常多的能量,是造成地球磁場風暴的主因。地球上的磁場風暴可大致分為兩種,磁暴與磁副暴。地面上的磁場擾動,是高空電流強度與位置改變所造成的。磁暴發生時地表的磁場變化是因為位在六個地球半徑以外的環電流(ring current)位置內移且強度增強所致。磁副暴發生時地表的磁場變化則是因為高緯100 公里高空的電離層中電流增強所致。雖然環電流的總電流量改變很大,但是距離遠,在地表產生的磁場改變量只有磁副暴的五分之一左右。不過也因為它距離遠,所以影響範圍是全球性的。磁暴持續時間可達數天到一週之久。磁副暴的影響只及中高緯地區,持續時間不超過兩小時。磁副暴發生時,會有極光的活動。通常一個磁暴期間會發生好幾個磁副暴。但是偶爾也有單一磁副暴事件,這意味著來自太陽風的能量變化不足產生磁暴與多個磁副暴。

太空天氣對於我們有什麼影響?

惡劣的太空天氣對民生的影響,至少可歸納為以下三種型態:輻射傷害、通訊干擾、與電磁感應造成的破壞。

輻射傷害

宇宙射線的穿透力強,可以打穿太空船與人造衛星,導致儀器設備受損;也可打穿人體,造成細胞受損,增加罹癌風險。日本的希望號火星探測器(Nozomi Mars Probe),在飛往火星的途中,就不幸遇到了「太陽高能正質子事件」而受損。如果換成是宇航人員在執行任務時遇到此種事件,將大大提高罹癌的風險。因此,除了早期不了解此種事件的嚴重性時,有幾次太空人登陸月球的紀錄,後來的太空探測,都以無人探測為主。

進入地球磁層後,大多數的宇宙射線被束縛在范艾倫輻射帶(Van Allen radiation belt)中。因為范艾倫輻射帶的底部約在500 公里高空,所以安置太空站的位置,都選在約400 公里高空,以降低太空人的輻射傷害。磁副暴期間磁場結構會發生大幅改變,因此不受磁場束縛、直接落入中高緯電離層與大氣層的高能粒子數量,會大幅增加。因此在磁副暴期間,跨極航線需要停飛或改道。其他長途飛行所接收到的輻射量,也會隨太空天氣不同而有數十倍以上的差異。

通訊干擾

地表上空100~250 公里的電離層,電漿濃度相當高。地面與衛星的通訊,包括GPS 衛星,都要穿過此層。由於衛星通訊所採用的高頻電磁波會受到傳播路徑上電子濃度的影響而偏折。因此任何造成電離層電子濃度不均勻的物理機制,都會影響地面與衛星之間的通訊。造成電離層電漿密度不均勻的原因很多。磁暴與磁副暴期間,地球磁場結構改變,會導致部分夜側電離層電漿大量流失到磁層中,造成該區電離層電漿密度異常下降,影響通訊。電離層電漿,也會受到日出、日落、與中性風場的影響,產生各種電漿不規則體,影響通訊,這也是臺灣電離層研究特別關注的課題。地表的無線電通訊也會受到太空中激震波所產生的大振幅無線電波的影響而長時間斷訊,這就是所謂的無線電暴(radio burst)。由於大振幅無線電波是沿著磁場傳出去。因此即使該激震波沒有撞到地球,只要激震波的磁場線連到地球附近,地表就會發生無線電暴。

電磁感應的傷害

太陽閃焰所發出來的短波輻射,以及磁副暴期間落入中高緯電離層中的極光高能粒子,都會增加電離層的電子濃度與導電率。即使是同樣強度的電場,若導電率增加,電流就會增加。電離層的電流增加,會導致地表的磁場改變,產生感應電場,導致地表電力系統短路毀損,也會對網路通訊設備、精密的IC 製造業、與心律調整器造成影響。同樣的,磁副暴發生時,同步軌道區域的磁場變化很大,因此感應電場也很強。如果同步通訊衛星上的電磁防護設備做得不夠好,就很容易受損。

展望

過去三十年來,太空天氣預報,已經成為先進國家太空單位的例行任務。了解太空天氣,不僅可以避免災害的發生,未來也可化災害為能量,利用感應電場開發出另一種天然的乾淨能源。

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