相对论带电粒子(主要是质子和电子)的速度接近于光速 第一种效应是单粒子事件

太阳活动对地球的影响

谢文彬 吉林师范大学

摘要：本文阐述了太阳活动现象，如：黑子、耀斑、日珥爆发、日冕物质抛射等，分析了太阳活动对地球空间环境及人类生活的影响。

关键词：太阳活动、地球空间环境、

一、太阳活动

在宇宙间所有天体中，与人类关系最密切的就是太阳。正是太阳的光和热温暖着地球，维持着人类生存以及地球上一切生命活动所必需的适当环境[1]。太阳是银河系中一颗普通的恒星。根据恒星演化理论,太阳目前处于比较稳定的时期, 太阳的质量、电磁辐射、热核反应和物质运动都处于相对平稳的状态[2]。因此我们可以清楚地划分太阳的分层结构(图1) 。我们把具有相对稳定分层结构的太阳称为宁静太阳。

图1 太阳分层结构示意图

 太阳活动[3]是指发生在各个相对稳定的太阳分层结构上的扰动现象。这些扰动现象的时空尺度大小不一。到目前为止，只有发生在太阳光球层以上的活动现象能够直接观测，而光球层以下的活动只能利用间接手段推测。时间尺度较短，空间尺度较大，释放能量较多的太阳活动称为剧烈太阳活动。

太阳活动对太阳系环境产生巨大影响，地球当然也不例外。太阳风暴是剧烈太阳活动及其在日地空间引起的强烈物理效应的通俗说法。太阳大气中的风暴也有多种现象：黑子、耀斑、日珥爆发、日冕物质抛射等都是太阳风暴的现象。 

 1、黑子

太阳光球层发生活动现象的主要标志是出现黑子[2]。由于黑子的温度（约4000多度）比周围低1000多度，所以黑子看起来比较黑。造成黑子低温的原因是黑子中存在强磁场（2000 -3000高斯）。图2是一个黑子的高分辨率照片；图3是国家天文观测中心怀柔太阳观测基地测量的一个黑子内部及其周围的磁场分布。白色区域中磁场向上，黑色区域中磁场向下。

图2 太阳黑子	图 3 太阳黑子的磁场

黑子寿命长短不一，长的可能有两三个月，短的不过几小时。黑子的形状和磁场是缓慢变化的，不会出现爆发性变化，因此黑子爆炸的说法是不对的。太阳上黑子数量的变化约有11年的周期。我国拥有世界上最早的黑子记录，但人类系统观测黑子的历史不足300年。黑子数量高峰年称为太阳活动峰年。系统记录的第23个太阳活动周期于1996年开始。2000年是第23个峰年。太阳上出现黑子的地方有很强的磁场，而磁场的变化往往导致多种多样的太阳活动现象。因此我们把有黑子出现的地方称为太阳活动区。太阳活动区扎根于太阳对流层，穿过光球层、色球层、日冕层，延伸至广阔的日地空间。

2、耀斑

耀斑[3]是太阳活动区中常见的激烈太阳活动现象。耀斑过程中释放的能量相当于数百亿颗原子弹爆炸。由于耀斑过程是磁流体力学过程，带电粒子能够得到加速。这些加速了的粒子以极高的速度向下冲击太阳色球层甚至光球层，向上则进入日地空间，甚至冲击地球的磁层和电离层。耀斑过程还辐射多种电磁波，因此耀斑可以通过多波段观测。通常用氢原子的Ha谱线观测耀斑在色球层的表现；用远紫外线观测耀斑在色球与日冕之间的过渡区的表现；用软X射线观测耀斑在日冕的表现。由于地球大气层的影响，太阳紫外线观测和X射线观测必须借助人造卫星或火箭，而Ha谱线观测可以在地面进行。在一个太阳活动周期中太阳耀斑通常会发生千次以上。因此必须有观测仪器不间断地对太阳进行监测。

图5 2003年10月28日大耀斑

3、日珥爆发

日珥爆发[3]也是太阳上的常见活动现象。日珥是在日面边缘看到的受到特殊太阳磁场支持的相对稳定结构。日珥在日面中心附近看起来象暗条。一旦太阳磁场不稳定，日珥（或暗条）就发生爆发。图6是SOHO卫星观测到的一次日珥爆发事件。图中可见日珥的规模比地球大许多倍。

4、日冕物质抛射

日冕物质抛射[4]是最重要的太阳活动现象。观测表明日冕中经常会有大量的物质抛射出来。抛射速度在每秒几百公里至几千公里以上。每次抛射的物质总量可达上百亿吨。在太阳活动峰年，日冕物质抛射次数多达每天两至三次。就是在太阳活动低年，日冕物质抛射也常常发生。图7是2003年10月28日发生的日冕物质抛射。

图6日珥爆发	图7  日冕物质抛射

二、太阳活动对地球的影响

太阳活动对地球气候和地球运动有长期影响，对于人类社会的高技术系统，如空间飞行器、飞行器上的仪器和宇航员、短波通讯、导航、遥感有很大的危害。太阳活动对日地空间环境的扰动方式包括，突然增强的电磁辐射（耀斑）；高能粒子注入日地空间（耀斑或日珥爆发）；大量的磁化等离子体冲击地球磁层（日冕物质抛射或日珥爆发）。

耀斑所产生的X射线暴以光速飞向地球，使向阳面电离层的电离增强，短波通信受到干扰甚至完全中断。相对论带电粒子(主要是质子和电子)的速度接近于光速，在耀斑发生30分钟左右到达地球空间，通过多种物理效应对卫星产生破坏作用。第一种效应是单粒子事件，当单个质子或重离子打到航天器内电子器件的芯片上时，芯片内产生电荷过大，将电路锁定在一个状态，只有关断电源，重新启动方可使装置恢复正常，这种效应称为单粒子锁定。严重时可导致单粒子烧毁。第二种效应是航天器内部充电。高能电子具有很强的穿透能力，它们能穿透卫星的外壳，进入卫星内部，并能穿进绝缘介质内部，在里面积累起来。随着积累的电荷增多，电场越来越强，当电场增加到一定程度时，绝缘介质被击穿。如果这种事件发生在卫星的关键部件，可导致整个卫星报废。1998年5月，一个强的高能电子暴使美国的通信卫星“银河4号”失效，导致美国部分州之间的信用卡业务中断，部分地区的电视节目中断。此外，高能粒子还危害航天员的健康。1989年1月19日，美国亚特兰蒂斯号航天飞机在发射伽利略号飞船时，航天员感觉到有闪光，这是高能粒子打到视网膜上引起的。航天员不得不退回到航天飞机内，但眼睛仍受到严重刺激。高能带电粒子还会对航空飞行员和旅客带来损伤。如1989年9月29日，在巴黎与华盛顿之间飞行的协和式飞机上的辐射监视器，发现飞机内的辐射剂量超过了警戒线。太阳风[5]在耀斑发生2天至3天到达地球的磁层，可在地球空间产生磁暴。磁暴是全球范围内地磁场的剧烈扰动，扰动持续时间在十几小时到几十小时之间。地磁场的扰动是由撞击地球的太阳风引起的。磁暴对输电系统可产生破坏作用。近年来最引人注目的磁暴损坏输电系统的事件发生在1989年3月。一个强磁暴使加拿大魁北克的一个巨大电力系统损坏，6百万居民停电达9小时，光是电力损失就达2千万千瓦，直接经济损失约5亿美元。据美国科学家估计，此事件若发生在美国东北部，直接经济损失可达30至60亿美元。

三、小结

太阳活动对地球环境及人类生活的影响越来越明显，由于人类对于太阳活动的认识水平还很低，目前太阳活动预报只能依赖统计预报方法。通常可以比较准确地预报太阳活动有无，精确预报太阳活动发生的时刻较难；预报太阳活动是否对地球环境产生影响较易，精确预报某地某时刻产生何中影响很难。为了提高预报服务质量，需要庞大的空间和地面太阳监测网。 目前国际上通过合作方式实现空间和地面太阳活动监测。

 

参考文献

1．林元章，2000，太阳物理导论

2．Noyes, R. W. The Sun, Our Star, Cambridge: Harward, 1985

3．Zirin, H. Astrophysics of the Sun, Cambridge University Press, 1988, 303

4．Hundhausen, A. J., Sawyer, C. B., House, L., Illing, R.M.E. and Wagner, W. J. Coronal mass ejections observed during the Solar Maximum Mission: Latitude distribution and rate of occurrence, J. Geophys. Res., Vol. 89, 13177

5．章振大，2000，日冕物理