怎樣理解太陽風暴對地球的影響?
這個問題的原答案是我的知乎首答,剛留意到這個問題是放在「世界末日」的分類下面的,這麼重大嚴肅的話題,不認真點怎麼成,所以把這個答案好好修改了一下。不過個人水平有限,即使經過修改完善後,仍可能有不少錯誤,歡迎大家討論。圖片來自網路,請勿用於商業目的,轉載請註明出處。
多圖預警,如果覺得長,可直接拖到最後看黑體字的小結部分。
「太陽風暴」顧名思義,當然是來自太陽的,天文學裡專門研究太陽的這個分支學科叫做——太陽物理,這個詞看著挺簡單的,跟它的英文Solar Physics一樣是太陽(Solar)+物理(Physics)兩個片語成的。不過鑒於@尚萌 這個答案宇宙中沒有氧氣,為何太陽會燃燒出火焰?下面的評論里,廣大知友紛紛表示「新名詞get」,這裡就稍微詳細地說說。說起來呢,「太陽物理」這個詞不光是人類覺得新奇,連某著名門戶網站的關鍵詞過濾系統也不怎麼認識它,記得當年在其博客上寫了一篇太陽物理科研進展的博文,結果被提示有敏感詞,經過一句話一句話的排除之後,發現這個敏感詞居然就是「太陽物理」(為避免影響本答案嚴肅認真的風格,敏感的原因請自行腦補)
那麼太陽物理具體是做什麼的呢?
首先,太陽物理學是一門觀測為主的學科,太陽物理學家們(Solar Physicists)通過各種專門的觀測儀器全天24小時監測著太陽。這些儀器包括,真空太陽塔、色球望遠鏡、日冕儀、太陽磁場望遠鏡、太陽射電望遠鏡/射電陣、太陽極紫外望遠鏡、太陽X射線望遠鏡等等。為什麼要專門儀器呢,既然太陽也是顆星,那一般看星星的天文望遠鏡(或者說夜天文的儀器)為什麼不能直接拿來用呢?這是因為相對於其它恆星,太陽離我們實在是太近了,太陽光對於設計用來接收微弱遙遠星光的夜天文望遠鏡來說過於強烈了,輕則曝光過度、重則損壞儀器,甚至給觀測人員造成人身傷害。【注意:為了您的安全,請勿使用任何望遠鏡(包括天文望遠鏡、觀劇鏡、觀鳥鏡、軍用望遠鏡、玩具望遠鏡等等)直接觀看太陽,請在專業人士指導下,在望遠鏡上加入專門的濾光器件(如巴德膜)後進行觀測。為了您的健康,也請勿用肉眼長時間觀看太陽,不論是夏日中午的烈日,還是日出、日落和日全食時期間的太陽】。
上圖是位於美國亞利桑那州基特峰的麥克馬思-皮爾斯太陽望遠鏡(McMath–Pierce_solar_telescope),其1.6米的口徑算是太陽望遠鏡里的大塊頭了。為什麼說全天24小時呢,太陽不是會落山的么?是的,太陽確實會落山,但是可以通過在地球上不同經度的多個地點放置太陽望遠鏡,進行接力觀測,從而達到「日不落」的效果。上世紀七十年代以來,多顆太陽觀測衛星的發射使得日不落觀測更為容易。比如美國NASA的STEREO衛星(STEREO)和SDO衛星(SDO | Solar Dynamics Observatory)。NASA於2006年發射了兩顆人造小衛星,分別在地球公轉軌道的內部和外部繞太陽公轉。由於軌道半徑的差別,這兩顆小衛星和地球之間的角度一前(STEREO-A,Ahead)一後(STEREO-B,Behind)慢慢拉開,使得我們可以同時對太陽全球進行360°無死角的觀測。2010年NASA發射了其新一代太陽觀測衛星SDO,以代替之前的SoHO衛星(Solar and Heliospheric Observatory Homepage),從此我們可以每天享受4096x4096p的太陽高清圖片和電影的福利了,」點擊SDO官網,看免費高清大片「。
「三月乙未,日出黃,有黑氣大如錢,居日中央」,
十七世紀望遠鏡發明後至今四百餘年的時間裡更是積攢了豐富的黑子觀測資料。現在,專門的觀測儀器每天提供的太陽數據是以TB為單位的,從這樣海量的數據中分析、提煉有用信息,就成為了太陽物理學家的一項重要任務。
上圖:2014年10月下旬一個巨大的黑子群出現在太陽上,甚至在日出日落時肉眼可見。下圖:該黑子群與木星、地球大小比較。
上圖:1612年,伽利略手繪的太陽黑子圖,Galileo Galilei, Drawings of the sunspots。下圖:2002年,瑞典太陽望遠鏡(Swedish Solar Telescope)拍攝的某(半)個太陽黑子的細節,下方黑色區域是黑子本影,本影外部纖維狀結構是黑子半影,半影外部斑塊狀結構是米粒組織,原圖2125x1404p,如有壓縮請點擊http://www.hao.ucar.edu/research/lsv/images/sunspot-observed.jpg。其次,太陽物理是用物理學的方法來研究太陽的。比如通過角度測量和軌道計算得到日地距離和太陽半徑、通過光譜分析得到太陽的化學組成、通過多普勒速度測量得到太陽內部波動模式和內部結構的信息,通過熱核聚變理論估計位於太陽中心的巨大核電廠的生產狀態,通過磁流體動力學理論模擬太陽大氣中的紛繁變化等等。
太陽物理的研究成果也可以對物理學等其它學科的研究起到推動作用。比如,在元素周期表排名第二的氦,因為非常輕,在地球上的含量遠少於太陽上的,所以1868年氦元素是首先從太陽光譜中被發現的,故而被稱為」太陽元素「,Helium一詞也來源於希臘語的太陽,直到二十多年後的1895年人們才在地球上確認了氦元素的存在。太陽上的特殊的溫度、壓力、密度環境,往往是地球上實驗室所無法模擬的。當年對於太陽夫琅和費線、色球光譜、高溫日冕光譜觀測,促進了光譜學和原子物理的發展。近年來對於太陽中微子缺失問題的研究,也在一定程度上推動了粒子物理學的發展,比如亞瑟·麥克唐納等人關於太陽中微子振蕩的成果獲得2015年諾貝爾物理學獎 中微子再度「問鼎」諾貝爾物理獎。
上圖:太陽光譜和夫琅和費線(即用字母標註黑色暗線)
對於天文學和天體物理自身而言,太陽物理更是一塊極為重要的基石。太陽本身是一顆很典型/普通的恆星,也是我們目前可以近距離觀測的唯一恆星,所以太陽物理的研究結果對恆星、星團、星系、星系團乃至宇宙學研究都有極大的借鑒價值。我們的時間單位——年,最初是以地球繞日公轉周期定義的;天文學中常用的距離單位——天文單位,最初是以日地平均距離()來定義的;恆星半徑通常是以太陽半徑()作單位來衡量的,比如大犬座VY這顆紅特超巨星,其半徑可達一千四百多個太陽半徑;恆星、星團、星系、星系團的質量也常常以太陽質量()做單位來衡量,比如魯道夫·基彭哈恩的一本知名科普讀物就叫《千億個太陽》。恆星大氣的輻射傳輸、恆星內部結構、恆星演化等理論都是以太陽作為參考標準而建立起來的。
最後,太陽物理對太陽活動規律和日地關係的研究,對我們地球人類的生存和發展至關重要。同時回到題主的問題上,太陽風暴對地球有什麼影響呢?為什麼地球轉了46億年了,太陽似乎每天都照常升起,可總有電影、小說、傳說等描寫太陽異常大爆發導致世界末日呢?
這恐怕是由於看問題的角度(尺度)不同造成的。從太陽自身的角度來說,它在過去、現在和將來的幾十億年里都是很穩定的;然而,從現代人類的角度來說,太陽上的些許風吹草動也能產生不小的影響,若是萬一太陽發生大的變故,對地球來說就真的是世界末日了。
太陽是一顆恆星,而且是恆星中的主序星。」恆「和」主序「的意思是——相對人類的壽命和歷史而言太陽整體來說變化不大,就好像一位循規蹈矩的中年大叔,其中心穩定地進行著熱核反應,將光和熱送達太陽系的各個角落。太陽輻射的能量大部分集中在可見光和紅外波段,這兩個波段能量輸出相對穩定,使得太陽輻射整體而言變化不大,以至於在日地平均距離處的地球大氣外垂直於太陽光束的單位面積上接收到的太陽輻射被稱為太陽常數()。
上圖:太陽輻射能量分布,以兩條豎直的虛線為界,左邊是紫外、中間是可見光,右側是紅外波段;下圖:最近兩個多世紀的太陽常數值,可見其變化僅為千分之一的量級Lab 5: Global Surface Temperature |。太陽由內至外分為:
日核(Core,核心區,氫聚變為氦並放出高能光子和中微子,是太陽上的核電廠)、輻射區(Radiative Zone,日核產生的高能光子一路跌跌撞撞往外走,經過不斷的吸收和發射,能量逐漸降低)、對流區(Convective Zone,對流主導的區域,太陽磁場在這裡形成)、光球(Photosphere,發光的球層,我們肉眼可見的太陽其實就是光球,常見的光球特徵是太陽黑子Sunspot,太陽半徑也是以光球為準的,從光球起就進入了太陽大氣)、色球(Chromosphere,有顏色的球層,得用特定波長/顏色的濾光片才能看到,常見的色球特徵有日珥Preminace/暗條Filament)、過渡區(Transition Region,溫度、密度劇烈變化的過渡區域,很多示意圖會忽略該層)和日冕(Corona,最外面的一層,太陽的大帽子,常見特徵有冕環Coronal Loop)。由於我們看不到太陽內部(即無法直接觀測到光球以下的電磁波),通常提到的太陽上有xxx,指的都是太陽大氣中發生的現象。然而,當人類發展的腳步踏遍全球,當人類探索的翅膀飛越大氣層,摸清中年大叔發脾氣的規律就越來越重要了。
太陽耀斑產生X射線、極紫外輻射等約8分鐘即可達到地球,這些高能輻射會增加地球高層大氣的電離,嚴重時可導致依靠電離層進行傳播的無線電信號中斷,無線電通訊、無線廣播、GPS系統等都會受到影響。順手搜了幾條中文報道,僅供參考,2015年的太陽爆發今年最強耀斑:太平洋無線電中斷,2013年的太陽爆發今年最強耀斑:地球無線電暫時中斷,太陽出現大規模耀斑,未來2周GPS系統可能產生誤差。對普通人來說,可能只是沒法聽短波廣播節目,GPS定位不準等小麻煩,對於國家來說則可能成為大問題,試想兩國交兵之際,無線電通訊突然中斷,會是怎樣的後果。
來自太陽風和日冕物質拋射的帶有電荷和磁場的物質則跑得慢些,要若干小時甚至幾天才會跑到地球公轉軌道附近,而它們一旦擊中地球,會對地球磁場產生擾動。地磁場擾動會直接對地磁測量、導航定位、採礦鑽探等行業產生影響,其產生的感應電壓/電流會對電網、通訊電纜、輸油管道等造成耗損,嚴重時可能導致電網癱瘓,比如1989年3月的太陽風暴導致加拿大魁北克全省停電 Understanding Electricity。On March 10, a strong wind left the Sun, heading for Earth. On March 12, the first voltage fluctuations were being seen on the Hydro-Québec transmission grid. The System Control Centre was doing what it could to maintain stability. However, on March 13 at 2:44 a.m., the Earth"s magnetic field was fluctuating violently. The grid"s protection system was triggered, and a blackout occurred in less than a minute! The province was submerged in darkness for more than nine hours.
渣譯,僅供參考:(1989年)3月10日,一股強風從太陽啟程吹向地球。3月12日,魁北克輸電網監測到第一波電壓擾動。系統控制中心儘力維持穩定。然而,3月13日凌晨2點44分,地球磁場劇烈擾動。電網保護系統被觸發,不到一分鐘即導致停電。魁北克全省陷入黑暗中長達九個多小時。
在1989年3月的太陽風暴中,美國東北部的新澤西州也受到嚴重影響,下圖為新澤西塞倫核電站損毀的變壓器Solar Shield--Protecting the North American Power Grid。
太陽風暴導致電網癱瘓的風險在靠近地磁極附近的地區更大些,比如加拿大、美國和北歐國家,好的一面是,這些國家也更容易看到美麗的極光。上圖:極光照片,下圖:北極光影響範圍(極光橢圓)示意圖,當遇到強太陽風暴時,極光橢圓的位置會更加靠南,中低緯地區也能看到極光。太陽風暴發生時,在極區附近飛行的航班乘員可能有受到較大劑量輻射的風險,一些航空公司已在飛機上加裝輻射測量儀器,並且會根據太陽活動情況及時調整航線,比如為「避開」太陽風暴,一返滬航班臨時改航線。相對飛機而言,在地球大氣層外人造衛星和飛船就得直面太陽風暴了,宇航員可以進入飛船躲避,同時關閉一些儀器設備以減少損失,比如遭罕見太陽風暴威脅 空間站宇航員入艙躲輻射。上圖:SoHO衛星上日冕儀拍攝的2003年10月28日的一次強烈的日冕物質拋射,圖片中心白色小圓圈表示太陽,圖3、4可見來自太陽的高能粒子擊中日冕儀產生的白色雜亂斑點。SoHO衛星位於第一拉格朗日點,會比地球先感受到太陽風暴的吹拂,從那密密麻麻的斑點彷彿能看到衛星在風暴中顫抖的樣子,該衛星在此次風暴中暫時失效。2003年10月底的太陽風暴被稱為萬聖節事件(Halloween solar storms, 2003),該事件導致SoHO衛星等幾顆在軌衛星發生故障,一些衛星關閉敏感儀器,國際空間站宇航員進入較為堅固的俄羅斯軌道艙(Russian Orbital Segment)進行躲避,瑞典停電一小時,美國德克薩斯州和歐洲地中海沿岸看到極光。1859年9月初,一次巨大的太陽風暴擊中了地球,遠至夏威夷、加勒比海等靠近赤道地區的人們都看見了絢麗的極光,史稱卡林頓事件(Solar storm of 1859)。當時科技尚不發達和普及,卡林頓事件仍然造成重要影響,歐洲和北美的電報系統陷入癱瘓,更甚者電報線路上打出的火花引燃了電報紙。
在卡林頓事件一百多年後的今天,從人造衛星到電網,從汽車導航到ATM取款機,科技已經滲入現代社會的各個角落。一般的太陽風暴可能會帶來幾十分鐘的短波通訊中斷和低頻導航信號減弱、造成衛星單粒子事件,以及提高宇航員和極區航班乘員受到的輻射水平。超級太陽風暴可能會造成無線電中斷、衛星毀壞、導航定位失靈、計算機系統崩潰、大規模停電、宇航員和極區航班乘客受到致命輻射等,其中任何一條都會導致巨大的災難。美國科學院的報告(http://lasp.colorado.edu/home/wp-content/uploads/2011/07/lowres-Severe-Space-Weather-FINAL.pdf)顯示,如果發生超級太陽風暴,僅第一年就會給美國造成達高達1-2萬億美元的經濟、社會損失,風暴後的恢復重建時間可能長達4-10年。當然我們不能因為有太陽風暴的威脅就退石器時代,我們可以通過繼續24/7監測太陽,支持和推動太陽物理、天體物理、地球物理和空間科學研究,關注太陽活動預報,在產品設計和系統規劃等方面考慮太陽風暴的因素等等,將風險降到最低。
太陽活動和空間天氣預報網頁:
美國國家海洋和大氣局-空間天氣預報中心:NOAA/NWS Space Weather Prediction Center(英文)中國氣象局-空間天氣監測預警中心:國家空間天氣監測預警中心(中文)小結:
1. 太陽風暴只是太陽表層(大氣)的活動,太陽核心一直在穩定的進行著核反應。對於地球本身來說,太陽風暴的影響並不大,畢竟地球已經繞著太陽轉了幾十億年了。由於有地球大氣和磁層的保護,對於地球上的大多數動植物,一般來說太陽風暴的影響也不大,畢竟人家都在地球上生活了億萬年了。2. 對於依賴電網、衛星導航、手機、電腦、ATM取款機等高科技產品的現代社會的我們,情況就不那麼樂觀了。一般的太陽風暴(較常見)可能會對衛星、航空航天、無線電通訊、導航定位等領域造成不同程度的干擾和損失;超級太陽風暴(較罕見、如1859年卡林頓事件)則有可能導致衛星毀壞、無線電中斷、宇航員受到致命輻射、電網崩潰等災難性事件,造成的社會經濟損失將以萬億美元計算。3. 應對太陽風暴的辦法:全天24小時監測太陽,支持和推動太陽物理、天體物理、地球物理和空間科學研究,關注太陽活動預報,在產品設計和系統規劃等方面考慮太陽風暴的因素等等,從而將太陽風暴的風險降到最低。
總算寫完了,比回答美食的問題麻煩多了,骨子裡果然還是個吃貨啊,感謝@劉博洋、@尚萌 和@Louis Stuart 的幫助和指正。
20151019發現日回復大增400%(對的,就是1個到4個),原來是上了日報,好吧,在此感謝春蟲蟲啊不@椰小花 同學,沒有她的熱情鼓勵——「你就知道歹」,就沒有這篇長文。希望本篇贊數超過那篇現撈現歹的。也感謝一路看到這裡的同學,歡迎提問和討論。
如果覺得不過癮,還想看太陽這位中年大叔的曼妙舞步,請移步這裡
哪些專業問題在本專業是常識,但在日常生活中卻不被人所知? - 喬小海的回答如果突然發現,咦,天文也挺有意思啊,可以瞅瞅這篇如何成為一個合格的天文愛好者? - 喬小海的回答-----------20130203古老太陽的分界線-------------
太陽是一顆恆星,它除了發光(電磁波)還不斷的往外吹出物質(帶電粒子),所以太陽的最外層大氣(日冕)並沒有明確的外邊界,從某種意義上說地球也是包括在其中的,每一分每一秒地球都受到來自太陽的影響。而當太陽上發生劇烈的爆發活動(所謂的「太陽風暴」)時,往往會有比平時更多物質從太陽上拋射出來,這些高能帶電粒子與地球磁場相互作用,給現代人類(尤其是高磁緯地區的北歐北美)帶來了諸多影響:1.會產生地磁擾動(磁暴),磁暴除對地磁測量和定向鑽井等產生直接影響之外,其產生的感應電壓/電流會對電網、通訊電纜、地下管道等造成損壞。
2.電離層擾動會造成無線電通訊(廣播、GPS等等)中斷。
3.造成衛星和空間站的損壞,危機出艙宇航員生命安全。
4.對途徑高磁緯地區的航班(比如中美航線)機組人員及乘客健康產生危害
5.高磁緯地區的人們可以看到絢麗的極光。
通過幾百年的觀測,人們認識到,太陽的活躍程度有一個近似為11年的周期(太陽活動周),目前太陽正處在第24太陽活動周的上升階段,並在2013年5月(參見NASA的預報)達到最大值【20151007更新:按照NASA2015年8月的最新結果,本次太陽活動周的極大可能位於2014年4月,目前已經進入下降階段 http://solarscience.msfc.nasa.gov/predict.shtml】,也就是說太陽在最近一段時間會相對比較活躍,然後慢慢平靜下來。從目前的情況來看,第24周是比較弱的一個太陽活動周,但也不排除出現強的爆發事件的可能。
如果你注意到我們目前是在第24活動周的話,應該可以放寬心一些了,因為之前的幾百年里我們已經安全度過了23個太陽活動峰年了,其中很多都比現在的24周要強。當然,因為現代人對科技(衛星、電網、無線電等)的依賴,使得我們更加脆弱(幾百年前的人們看見極光的時候完全不必考慮停電或者航班延誤),通過不間斷的觀測來認識和了解太陽,最終實現對日地空間天氣進行預報就變得越來越重要了。這個應該問地空的人。我的淺見:有地球磁場保護,影響不大。有限的影響包括:有極光可以看,對地球附近飛行的航天器安全有一定影響。
太陽風暴是太陽黑子聚集能量,在日冕層噴射出來的高能帶電粒子,能在很短的時間內到達地球,對衛星、航空、地面電流設施造成干擾,但地球的磁場是一個天然的保護罩,如果不是磁場的存在,太陽風足以把大氣層吹到太空,把地球吹乾,有磁場的存在可以讓太陽風一部分繞過地球,一部分會沿著磁場到南北極,然後形成極光,儘管如此,在太陽風「刮來」後,會產生磁爆,對電磁設施造成影響,還有,想想要是沒有磁場,一陣太陽風『刮』來,整片電力設施失效,整片黑燈瞎火的是怎樣的光景,各種恐慌什麼的事情就出來了~————————————————(之前看BBC記錄片宇宙看到的,按印象寫的,有錯望指正)
太陽風不是來自太陽,而是吹向太陽的暗能量在燃燒(所以溫度會高於太陽表面百萬度)。左風頭右風尾,地球要是轉到尾部就是遇到太陽風暴了。
你媽突然叫你全名的時候你是不是感覺,自己哪兒又做錯了
極端的例子只有幾件,主要被研究空間物理和空間天氣的人拿來騙funding用的。對一半老百姓或甚至企業和國家基本沒影響,或者影響會越來越小。
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