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太陽活動極小期如何影響地球的新說法

人類從1611年開始系統性的記錄太陽黑子的出現與消失。黑子的數量消長約有個平均11年的週期,黑子數量愈多代表太陽活動愈劇烈,太陽表面發生爆發事件的頻率也愈高。不過,其實每個太陽活動週期中出現的黑子數量都不相同;2008年時,是進入太空紀元後,最長也最弱的太陽活動極小期( solar minimum),由於有許多嶄新的太空儀器可以測量太陽的各項活動狀況,因此科學家得以詳細研究太陽極小期的細節。

然而,根據觀測結果,太陽活動對地球磁場的影響(地磁效應,geomagnetic effect),例如極光及磁暴等的極小期強度的確也是一世紀以來最低的程度,但極小期發生時間並未與太陽磁場活動盪到谷底的狀況同步,而是晚了8個月左右。美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(JPL)太空氣象科學家Bruce Tsurutani等人表示:依慣例,太陽活動極小期是用太陽黑子的數量的訂定的,由此得出2008年為最近一次極小期;但若依地磁活動來看,則極小期發生於2009年。這些科學家嘗試找出找出這個時間延遲現象的原因。

地磁效應基本上就是地球對太陽磁場變化的反應量,可經由磁力計(magnetometer)測量地表的磁場強度而得到此量。地磁效應通常無害,最明顯的出現訊號就是接近地球兩極的極光變化而已。然而,在極端案例中,地磁效應會引發地表電力供應網故障,或是誘使長度較長的管線產生危險電流,這些都可能會危害到地表生物,因此瞭解地磁效應隨太陽的變化,是非常必要的事。

這些科學家以三項因素來決定太陽藉由太陽風傳輸到地球磁圈(magnetosphere)的能量多寡:一為太陽風速度,二為地球磁圈外的行星際磁場(interplanetary magnetic field)強度,三為行星際磁場的方向。此外,太陽風有大量向南的分量,還必須與地球磁圈連結,傳遞能量。

首先,這些科學家注意到在2008年和2009年,行星際磁場是1960年代進入太空紀元之後最低的,這顯然也會造成地磁活動減弱,但因地磁效應並未隨太陽活動週期在2008年降到谷底,因此這必然不是唯一的影響因素。

再來,他們利用NASA的ACE(Advanced Composition Explorer)衛星所偵測的資料來檢視太陽風速度;ACE位在地球磁圈外,大約是朝太陽方向約160萬公里遠的地方。檢視結果顯示太陽風速度在太陽黑子極小期時仍維持很高的速度,黑子數量極小期過後才開始逐漸穩定降低,與地磁效應降低的時程和趨勢相符。

接下來就是要瞭解造成太陽風速度和地磁效應降低的原因;Tsurutani等人發現嫌犯很可能就是所謂的冕洞(coronal hole)。冕洞是太陽最外層大氣中較暗而冷的區域;快速太陽風(fast solar wind)會從冕洞向外衝出,速度可達每秒800公里左右,但太陽風速度會因在太空中擴散而逐漸降低。

美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)太陽科學家Giuliana de Toma表示:在太陽極小期時,冕洞通常出現在太陽的極區,因此會影響到地球的太陽風大概都只是來自這些冕洞邊緣地帶者,所以速度不會太快。但在2007和2008年時,冕洞不止如往常般只出現在極區;甚至到2008年底時,在太陽低緯地區都還有冕洞現身,冕洞中心區對著地球的結果,就會朝地球方向送出快速太陽風。一直到2009年,這些冕洞出現位置才逐漸靠近太陽極區,地球所感受到的太陽風速度因而慢了下來,地磁效應和極光活動也隨之降低。

這麼看來,冕洞似乎會減少行星際磁場向南的分量。太陽風所攜帶的磁場會在從太陽到地球的途中不斷振盪,這些波動就是所謂的阿耳芬波(Alfvén waves)。從冕洞中心出來的太陽風有大規模的波動,意味著向南的磁場分量也很大。然而從冕洞邊緣出來的太陽風,波動比較小,向南分量當然也比較小。所以,太陽低緯度的冕洞所造成的向南磁場分量大,與地球磁圈連接的效果比較好,所造成的地磁效應當然也比較大;相較之下,中緯度或極區的冕洞所造成的效應就比較小。

將以上的3種影響因子—低行星際磁場強度、比較低的太陽風速度、比較小的磁場擾動—加在一起,就製造出完美的地磁極小期發生環境。瞭解造成地球上強烈地磁活動的主要原因後,未來或許就可改善地磁暴事件的預報。因此,這些科學家計畫要進一步研究讓行星際磁場強度降低及形成日冕洞的原因等,因為,雖然所有的這一切都是太陽活動週期的一部分,但也同時是地球活動的一部分,與我們息息相關的事,當然是能愈瞭解愈好。

資料來源:http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2011-181, 2011.06.14, KLC

本文引用自臺北天文館之網路天文館網站


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