太空气象及其对地球的影响

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  太阳是我们地球众生的守护神。但是自20世纪80年代以来,太阳也多次对地球的电场、磁场和温度场产生干扰,这些干扰严重地影响了人类许多的科技工具的使用,小到随处可见的手机、大到重要的卫星。这些干扰发生在距离地面70千米以外的地球空间环境中,且可以以非常快的速度发生演变,为了更好地理解这些现象,科学家们创立了空间气象学,下面我们就此开启一个特别的紊动的世界。

  自二十世纪中叶起人们从就对太阳内部的主要结构有所了解了;而20世纪90年代的到来伴随着SOHO卫星升空,人们开始了解了太阳并不像以前所认为的那样平静。也正是由于太阳的存在,才有了电磁辐射、宇宙辐射、太阳风、宇宙间持久或爆发性的现象、所有与地球的空间环境相互作用的能量来源。

  太阳的电磁辐射覆盖的波长范围很广:从伽马射线、到紫外线到可见光,再到无线电波(见“黑体辐射”以及“天空的颜色”)。不同的波所对应的波长范围及其所具有的能量如表1所示。太阳也是物质持久流动的起点,这些物质主要包括电子、质子,还有基本的带电粒子(见“太阳的能量”),这些粒子形成了太阳风,在太阳活动的平静期,太阳风的速度能够达到每秒200到800千米(km/s),而在极为活跃期能够达到2000 km/s(见“太阳的能量”))。在极个别情况下,太阳风的速度可接近于光速,这时构成它的粒子就被称为宇宙辐射,其能量能达到几百万电子伏特,这是在银河系的恒星中发现了具有这种能量的第二个来源。宇宙辐射这个历史遗留下来的名字具有迷惑性,因为实际上它描述的对象并不是辐射,而是粒子。

表1 太阳辐射从红外到伽马射线的波长能量关系表环境百科全书-空气-表1 太阳辐射从红外到伽马射线的波长能量关系表

  太阳风和太阳辐射的振幅是可变的,这种变化被称为太阳活动周期。太阳活动的平静期与活跃期交替出现,呈现出鲜明的10到13年的循环周期特性,也被称为“施瓦布周期”或 简称为“太阳周期”。

  电磁辐射、宇宙辐射、或持续或突发的太阳风都是与地球空间环境相互作用的能量源……

1.辐射的效应

  构成地球上层大气(距离地面105千米以内)的主要成分是氮的分子;而到了距离地面200千米至600千米的地方,则变成了原子氧,和大气中的一些微量气体,如氢、氦、氩和原子氮等。在距地面大约400千米处,大气颗粒的总浓度约为每立方米10亿亿(10 18)个,温度约为750℃——这里被称为热球层(见“上层大气”)。导致这里高温的原因是太阳辐射在此处的波长小于紫外线(UV)的波长,具有极高的能量。这种高能辐射(见“黑体热辐射”)可能已经被激发了,分子被破坏了,甚至发生了大气电离,如指从目标粒子中至少移走了一个电子。

  如果这些极具能量的光子有能力到达低层大气或地面,那么地球上也不会有生命出现了。得益于热球层的存在,在其中发生的多种现象能够阻碍这种辐射下行,并且吸收了它们的能量。由此,大气在我们头顶形成了一个盾牌,来帮助我们抵挡太阳辐射。

  大气中由离子和电子组成的部分叫做电离层。在太阳活动的平静期,距地面400km处的电子的温度大约为1100℃,而同高度处的离子的温度“仅”有800℃。事实上,这里的大气已经是部分电离的了,也就是说,即由中性气体组成的混合物,如主要有分子氮、分子或原子氧、离子以及电子的混合物。这种特殊的物质状态被称为等离子体,它是由各种带电粒子组成的宏观表现为“电中性”的流体。

2.粒子的远距离效应

环境百科全是-空气-(地球周围)空间环境形状的示意图
图1(地球周围)空间环境形状的示意图。外层的蓝色区域是磁层顶,在磁层顶内,能够分辨出几种不同颜色的壳状结构。但要注意的是:这只是一种伪彩色表示方法。现实中并不存在清晰可见的界限。图像的右下方是人们不甚了解的重连接区域。粉红色的壳状结构代表范艾伦辐射带。[来源:© EDPS,“阳光之下”,J. Lilensten(让·李兰斯坦)与J. Bornarel(让·博纳雷尔),2001]

  地球及其磁场构成了太阳风绕不过的障碍。在没有太阳风的情况下,地球磁场(或地磁场)的影响分布在地球周围是对称的:即地球磁场无论从东、西、日照面(接收太阳照射的面)或背阴面(太阳照射不到的一面)哪个角度看都是完全相同的。但在实际情况中,处在地磁场作用范围内的太阳风在地球上方约15个地面辐射距离处形成激波,迫使太阳风中的粒子排布符合地磁场的形状。我们把有极少粒子能够跨越的边界被称为磁层顶,在这里,磁场压力与太阳风压力相互抵消。在日照面一侧,磁层顶通常位于10个地球半径的位置;当太阳活动特别强烈的时候,这个值可能会低于6。由磁层顶包围形成的腔体内部主要受到地磁场的影响,被称为磁层(见“地球和太阳影响下的磁层”)。它在地球的日照面一侧凹向地球,而在背阴面受太阳风影响拉伸出一条长长的尾巴,使其总体呈现水滴状(见图1)。

  沿着磁层顶,部分太阳风漂移并进入背阴面的磁层空腔;另一部分在约30个地面辐射距离处重新结合,称该区域为重连接区域。在日照面一侧,太阳风也可能直接进入磁层,主要取决于太阳和太阳风的磁性状态。粒子离地球越近,地磁场对其作用力就越强,直至在几个(5到10个)地球半径的距离内,电子和离子在地磁场的作用下已经无法再继续靠近地球了:最终在地球外部形成一个环绕地球的电流环,也称艾伦辐射带。当有碰撞现象发生时,它们会沿自身所处的磁场线逃逸,最终进入大气层。穿越进入和沿磁层周围运动的过程会将这些粒子的能量增加到几百到几千个电子伏特。类比喻经典的气象学术语,我们用用“沉降粒子(降水)”(指离子和电子)来描述这些粒子。

环境百科全是-空气-紫外波长辐射的照片
图2 由“动力探测号”卫星拍摄到的由地球大气中原子氧发出的紫外波长辐射的照片。
它摄于地球磁极(图片中的中心处)的上方。太阳位于图片的左侧。大气层被太阳光线照亮并反射回去。图片是在热球层拍摄的。极光椭圆区非常显著地位于地球的背阴面。而处在左下角的背阴面在下面的太空中是无法观察到的。[来源:©NASA]

  在三维空间中,用壳状结构来表示地磁场比用地磁线更为贴切,因为粒子所填充的不是磁场两条线之间的面积,而是磁场在两层壳之间的体积。这就是极光椭圆区,它通常位于南北向的磁纬度65°和75°之间。由于太阳风是不间断的,极光椭圆区也长期存在的。

3.粒子近距离效应

环境百科全是-空气-北极光
图3 斯堪的那维亚繁星点点的天空背景下的北极光格外瞩目
[来源:© P. Volcke,IPAG / OSUG]

  “粒子沉降(流)”在地球上空700千米到大约70千米之间进入大气。在继续向下运动的过程中,由于空气密度升高导致它们的运动之旅无法继续。最终它们会撞击到了大气层,发生了升温、激发甚至电离过程。而这些被改变状态的粒子往往通过释放电磁波回归到初始状态,有时电磁波波长也会落在可见光范围内,这就形成了极地极光(见图3)。

4.太空气象

  早在二十世纪中叶,科学家们就了解到了地球的空间环境对太阳活动非常敏感[1]。例如,磁球层承载着各种电流(见“地球和太阳影响下的磁球层”),在地球表面,当地面是导电的,这些电流就会感应出其他电流,从而能够传播相当长的距离。它们变化缓慢,几乎是连续的。我们发电厂的变压器只能处理交流电:例如,欧洲交流电的工频为50Hz,而美国的为60Hz。直流电的加入会使变压器显著地升温而使其发生故障;它还会因为增加了管线与地面间的电势差而使管道腐蚀加速。

  太阳活动还表现为对地磁环境的干扰,导致从手机通信到地面与卫星之间的通信等各种尺度的通信问题,。此外,大气升温会增大卫星受到的摩擦力,进而会改变其运动轨道。必须对这一有可能减少卫星使用寿命的影响进行修正。

环境百科全是-空气-欧洲伽利略定位系统的美工图
图4. 欧洲伽利略定位系统的美工图。这个由24颗卫星组成的定位系统的运行与太空气象密切相关,它需要作为使用者接收太阳活动对大气层影响的预测数据,又作为数据提供方为科学家提供电离层的数据。[来源:© ESA]

  相较于上述影响,或许更为危险的是星际尘埃、流星、陨石、火箭的各级助推器、报废的卫星、各种航天器碎片的位置信息的丢失。上层大气受热膨胀后会携带着这些碎片移动,因此有必要对它们进行严密的监测。目前,卫星因与空间碎片碰撞而失联的风险高达0.01%,这意味着每10000颗卫星中就有一颗因碰撞这种方式失联,而且这个概率随时间呈指数增长。同时,如果处在强烈的太阳扰动和加热的情况下,碎片被大气层带走,则需要几个小时才能追踪到它。

  卫星本身暴露在磁球层的各种电流中,而这些电流的强度随太阳活动变化而变化,能够通过对太阳能电池板或各种仪器涂层的电离,使其性能下降;它们还可能破坏机载计算机程序,导致卫星失联。在磁球层之外,卫星暴露在太阳风中,通常太阳风不会非常猛烈,但当太阳释放出超高能量的质子时,结果就大不相同了:2003年10月,大约有30颗卫星在这种情况下遭遇通信中断,其中3颗永久地失联了。

  太阳活动还可以通过改变宇航员和机组人员的DNA产生生物学上的影响。还有一些人将20世纪中期以来的全球变暖归因于太阳活动的变化(见“气候机制”以及链接“气候预测”)。事实上,我们现在知道,太阳活动只能对气候产生区域性的影响,而其影响程度远远不足以用来解释全球性的变化[2]

  电子通讯和卫星定位系统(GPS、Glonass(格洛纳斯)、伽利略、…)也会受到太阳活动的影响(见图4)。此外,太阳活动还会影响到保险公司、银行或旅游公司的收益,比如这些公司通过卫星预测或发展基地极光和太空旅游。总之,太阳活动的影响涉及到地球上的每一个人。美国和欧洲有研究表明,预测太阳活动和量化其影响的收益高达数十亿欧元。太空气象[3]作为一门致力于气象预报的新兴学科有着光明的前景。

 


参考资料和注释

[1] J. Lilensten and P.L. Blelly, Du Soleil à la Terre, aéronomie et météorologie de l’espace, collection Grenoble Sciences, EDP Sciences, ISBN 2 86883 467 1, January 2000

[2] J. Lilensten, T. Dudok de Wit, K. Matthes, Earth’s climate response to a changing Sun, ISBN 978-2-7598-1849-5, DOI: 10.1051/978-2-7598-1733-7, EDPS Ed., 2015

[3] J. Lilensten and J. Bornarel, Sous les feux du Soleil : vers une météorologie de l’espace, Grenoble Sciences collection, EDP Sciences, ISBN 2 86883 540 6, November 2001

环境百科全书由阿尔卑斯格勒诺布尔大学出版——www.univ-grenoble-alpes.fr

引用本文:作者: LILENSTEN Jean(2019),《太空天气及其对地球的影响》,环境百科全书[在线ISSN 2555-0950] url : http://www.encyclopedie-environnement.org/?p=6562

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译者:郎立晨           编审: 王晓东          责任编辑:胡玉娇


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引用这篇文章: LILENSTEN Jean (2022), 太空气象及其对地球的影响, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/space-weather-consequences-earth/.

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