太阳风 阅读

【简介】
太阳风是一种连续存在,来自太阳并以200-800km/s的速度运动的等离子体流.这种物质虽然与地球上的空气不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,所以称它为太阳风.当然,太阳风的密度与地球上的风的密度相比,是非常非常稀薄而微不足道的,一般情况下,在地球附近的行星际空间中,每立方厘米有几个到几十个粒子.而地球上风的密度则为每立方厘米有2687亿亿个分子.太阳风虽然十分稀薄,但它刮起来的猛烈劲,却远远胜过地球上的风.在地球上,12级台风的风速是每秒32.5米以上,而太阳风的风速,在地球附近却经常保持在每秒350～ 450千米,是地球风速的上万倍,最猛烈时可达每秒800千米以上.太阳风从太阳大气最外层的日冕,向空间持续抛射出来的物质粒子流.这种粒子流是从冕洞中喷射出来的,其主要成分是氢粒子和氦粒子.太阳风有两种：一种持续不断地辐射出来,速度较小,粒子含量也较少,被称为“持续太阳风”；另一种是在太阳活动时辐射出来,速度较大,粒子含量也较多,这种太阳风被称为“扰动太阳风”.扰动太阳风对地球的影响很大,当它抵达地球时,往往引起很大的磁暴与强烈的极光,同时也产生电离层骚扰.太阳风的存在,给我们研究太阳以及太阳与地球的关系提供了方便.
【形成原因】
为了能够清楚的表述太阳风是怎样形成的,需要先了解太阳大气的分层情况.
一般情况下,我们把太阳大气分为六层,由内往外依次命名为：日核,辐射区,对流层,光球,色球,日冕.日核的半径占太阳半径的四分之一左右,它集中了太阳质量的大部分,并且是太阳百分之九十九以上的能量的发生地.光球是我们平常所见的明亮的太阳圆面,太阳的可见光全部是由光球面发出的.
而日冕位于太阳的最外层,属于太阳的外层大气.太阳风就是在这里形成并发射出去的.
通过人造卫星和宇宙空间探测器拍摄的照片,我们可以发现在日冕上长期存在着一些长条形的大尺度的黑暗区域.这些区域的X射线强度比其他区域要低得多,从表观上看就像日冕上的一些洞,我们形象的称之为冕洞.
冕洞是太阳磁场的开放区域,这里的磁力线向宇宙空间扩散,大量的等离子体顺着磁力线跑出去,形成高速运动的粒子流.粒子流在冕洞底部速度为每秒16km左右,当到达地球轨道附近时,速度可达每秒800km以上.这种高速运动的等离子体流也就是我们所说的太阳风.
太阳风从冕洞喷发而出后,夹带着被裹挟在其中的太阳磁场向四周迅速吹散.现在我们肯定,太阳风至少可以吹遍整个太阳系.
当太阳风到达地球附近时,与地球的偶极磁场发生作用,并把地球磁场的磁力线吹得向后弯曲.但是地磁场的磁压阻滞了等离子体流的运动,使得太阳风不能侵入地球大气而绕过地磁场继续向前运动.于是形成一个空腔,地磁场就被包含在这个空腔里.此时的地磁场外形就像一个一头大一头小的蛋状物.
但是,当太阳出现突发性的剧烈活动时,情况会有所变化.此时太阳风中的高能离子会增多,这些高能离子能够沿着磁力线侵入地球的极区；并在地球两极的上层大气中放电,产生绚丽壮观的极光.
1850年,一位名叫卡林顿的英国天文学家在观察太阳黑子时,发现在太阳表面上出现了一道小小的闪光,它持续了约5分钟.卡林顿认为自己碰巧看到一颗大陨石落在太阳上.
【观测简史】
到了20世纪20年代,由于有了更精致的研究太阳的仪器.人们发现这种“太阳光”是普通的事情,它的出现往往与太阳黑子有关.例如,1899年,美国天文学家霍尔发明了一种“太阳摄谱仪”,能够用来观察太阳发出的某一种波长的光.这样,人们就能够靠太阳大气中发光的氢、钙元素等的光,拍摄到太阳的照片.结果查明,太阳的闪光和什么陨石毫不相干,那不过是炽热的氢的短暂爆炸而已.
小型的闪光是十分普通的事情,在太阳黑子密集的部位, 一天能观察到一百次之多,特别是当黑子在“生长”的过程中更是如此.像卡林顿所看到的那种巨大的闪光是很罕见的,一年只发生很少几次.
有时候,闪光正好发生在太阳表面的中心,这样,它爆发的方向正冲着地球.在这样的爆发过后,地球上会一再出现奇怪的事情.一连几天,极光都会很强烈,有时甚至在温带地区都能看到.罗盘的指针也会不安分起来,发狂似地摆动,因此这种效应有时被称为“磁暴”. 随着科技的进步,极光的奥秘也越来越为我们所知,原来,这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品.在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中,有一种能量被称为"太阳风".太阳风是太阳喷射出的带电粒子,是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流.太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场.地球磁场形如漏斗,尖端对着地球的南北两个磁极,因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个"漏斗"沉降,进入地球的两极地区.两极的高层大气,受到太阳风的轰击后会发出光芒,形成极光.在南极地区形成的叫南极光.在北极地区形成的叫北极光.
在本世纪之前,这类情况对人类并没有发生什么影响.但是,到了20世纪,人们发现,磁暴会影响无线电接收,各种电子设备也会受到影响.由于人类越来越依赖于这些设备,磁暴也就变得越来越事关重大了.比如说,在磁暴期内,无线电和电视传播会中断,雷达也不能工作.
天文学家更加仔细地研究了太阳的闪光,发现在这些爆发中显然有炽热的氢被抛得远远的,其中有一些会克服太阳的巨大引力射入空间.氢的原子核就是质子,因此太阳的周围有一层质子云（还有少量复杂原子核）.1958年,美国物理学家帕克把这种向外涌的质子云叫做“太阳风”.
向地球方向涌来的质子在抵达地球时,大部分会被地球自身的磁场推开.不过还是有一些会进入大气层,从而引起极光和各种电现象.向地球方向射来的强大质子云的一次特大爆发,会产生可以称为“太阳风暴”的现象,这时,磁暴效应就会出现.
使彗星产生尾巴的也正是太阳风.彗星在靠近太阳时,星体周围的尘埃和气体会被太阳风吹到后面去.这一效应也在人造卫星上得到了证实.像“回声一号”那样又大又轻的卫星,就会被太阳风显著吹离事先计算好的轨道.
【相关影响】
太阳风虽然猛烈,却不会吹袭到地球上来.这是因为地球有着自己的保护伞——地球磁场.地磁场把太阳风阻挡在地球之外.然而百密一疏,仍然会有少数漏网分子闯进来,尽管 它们仅是一小撮；但还是会给地球带来一系列破坏.它会干扰地球的磁场,使地球磁场的强度发生明显的变动；它还会影响地球的高层大气,破坏地球电离层的结构,使其丧失反射无 线电波的能力,造成我们的无线电通信中断；它还会影响大气臭氧层的化学变化,并逐层往下传递,直到地球表面,使地球的气候发生反常的变化,甚至还会进一步影响到地壳,引起火山爆发和地震.例如,1959年7月15日,人们观测到太阳突然喷发出一股巨大的火焰 (它就是太阳风的风源).几天后,7月21日,也就是这股猛烈的太阳风吹袭到地球近空时, 竟使地球的自转速度突然减慢了0．85毫秒,而这一天全球也发生多起地震；与此同时,地磁场也发生被称为“磁暴”的激烈扰动,环球通信突然中断,使一些靠指南针和无线电导航 的飞机、船只一下子变成了“瞎子”和“聋子”…….
太阳风对地球的影响,只是乘虚而人的漏网分子所为.由此可见,在无所阻拦的星际空间,太阳风的威力有多大了.
在太阳风和外面的星际物质交汇的地方,会产生冲击波.1977年发射的“旅行者一号”探测器据说在2003年的时候碰上了这种冲击波.那个冲击波距离太阳大约128亿千米~180亿千米.
【科学研究】
一间窗户被风刮开的房子,虽然总体上能抵御猛烈风暴的袭击,但破窗而入的狂风会将屋里刮得一团糟.最新研究表明,地球磁场在太阳风面前就像是一间容易“漏风”的房子,其“漏洞”会持续“透风”长达数小时,为来自太阳的带电粒子进入地球大气层、扰乱通信和电力系统等提供可乘之机.
在最新一期英国《自然》杂志上,美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员公布了这一研究结果.研究人员说,新结果有助于更好地预测太阳风暴等恶劣“太空天气”可能给地球造成的影响.
太阳上不时会刮出由带电粒子构成的太阳风.如果太阳活动变得剧烈,太阳风也会跟着狂暴起来.地球自身有一个绵延至太空中数万公里的磁场,能够构成抵御太阳风的保护性屏障.不过,这道屏障并非没有破绽.早在1961年,英国帝国理工学院的邓恩盖博士就曾预测,当太阳风所包含的磁场朝向在局部上与地球磁场朝向相反时,两个磁场的“磁重联”过程会导致地球磁场保护屏障产生缝隙,使太阳风的带电粒子得以乘虚而入.其他科学家后来证实了缝隙的存在,但地球磁场的这种缝隙是时开时合,还是会长时间保持洞开,科学家们一直不清楚.
加利福尼亚大学伯克利分校的弗雷介绍说,他和同事借助美国宇航局的IMAGE探测器和欧美合作的“星团”计划所属卫星的观测数据,首次发现地球磁场缝隙会长达数小时处于敞开状态.据他们测算,在距地球表面约6万公里的地球磁场屏障边界上,缝隙面积可能达到了地球面积的两倍,由此进入的太阳风最终在北极上方电离层中产生相当于美国加利福尼亚州大小的质子极光.
【科学意义】
太阳风的发现是20世纪空间探测的重要发现之一.经过近40年的研究,对太阳风的物理性质有了基本了解,但是至今人们仍然不清楚太阳风是怎样起源和怎样加速的.太阳风是怎样得到等离子体的供应及能量的供应的问题是空间物理学领域中经长期研究仍悬而未决的一大基本课题.