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《科学大众》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

创办于1937年,是我国创刊最早、影响最大的科普刊物之一。现由江苏省科技厅主管、江苏省科协主办。70多年来,杂志秉承“科学大众化、大众科学化”的宗旨,矢志不渝地为提高中华民族特别是青少年科学素质服务,影响了一代又一代中国人,得到了毛泽东、周恩来等党和国家领导人的肯定。

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太阳公公的大“喷嚏”

2012-11-18 22:06:15


策划/ 本刊编辑部     统筹/ 谢 飞

 

“阿嚏!”不好,太阳公公打了个大“喷嚏”。

太阳公公的能量非凡,它的大喷嚏也是威力无比。想知道这个大喷嚏是怎么来的吗?想知道太阳的喷嚏对地球的影响吗?看看这篇文章吧。

 

太阳与它的巨大能量

想知道太阳为什么打喷嚏,还得先了解一下太阳本身。

太阳是以氢气为主要成分的巨大球体。它的半径大约是地球的109 倍,体积大约是地球的130 万倍,质量大约是地球的33 万倍。

太阳的温度非常高,表面温度在5 500 摄氏度左右,核心部分的温度高达1 600 万摄氏度,属于超高温。

从太阳的中心部分到半径大约15 万千米的范围内,大量氢的原子核经过融合聚变,每2 个氢原子聚变成1 个氦原子核,这一变化被称为热核反应。热核反应发生的时候,会释放出极大的能量,发射出大量的热和光,这就是太阳的能量源。

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日冕上的黑洞

X 射线或远紫外线拍下的日冕照片上,可以观察到在日冕中长期存在着大片的长条形的或是不规则形的暗黑区域。这一区域里的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,人们形象地称之为冕洞。

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图中黑色部位即为冕洞

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。粒子流在冕洞底部的速度为16 千米/ 秒左右,当到达地球轨道附近时,速度可达400 千米/ 秒以上。这种高速运动的等离子体流也就是我们所说的太阳风。

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在日食发生过程中拍摄,并经数字手段处理后得到的日冕照(照片上出现一些小的粉红色区域为过度曝光所致)

太阳黑子

当太阳表面某些区域的气体暂停翻滚时,就会形成黑子。因为下面没有炙热的气体升上来,所以表面会因温度下降而变暗。太阳黑子一般出现在磁场聚集的地方。

黑子是太阳表面可以看到的最突出的现象。一个中等大小的黑子大概和地球的大小差不多。黑子的形成和消失要经历几天到几个星期不等。

在过去的300 年中,太阳黑子数按11年的周期有规律地增加和减少。太阳像我们地球一样也有着季节性的变化,不过太阳的一年是我们地球的11 年。

黑子群,特别是伴有复杂磁场的黑子群常常是耀斑爆发的位置。

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具有超大能量的太阳耀斑

在黑子群附近,有时会看到一大片明亮的闪光发射出耀眼的光芒。这种光一般只存在几分钟,个别能长达几小时,亮度由强变暗,直到消失。这就是太阳上最为强烈的活动现象——耀斑。

太阳耀斑出现时会释放大量的能量。一次不起眼的耀斑亮点所释放的能量相当于10 万至100 万次强火山爆发的总能量,或相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸。一个特大的耀斑释放的总能量相当于100 亿颗百万吨级氢弹爆炸的总能量。

随着激烈的太阳耀斑的爆发,存在于太阳表面的等离子体变成高能带电粒子,大量地以极快的速度飞往宇宙空间。这种现象被称为日冕物质喷发(CME)。

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地球的“保护伞”

如果太阳耀斑正对着地球爆发了,这时受太阳风的影响,会有大量等离子体变成暴风直接袭击地球。这就是太阳公公的大喷嚏了。

太阳风暴如果直接吹到地球上,那后果不堪设想。幸好地球有自己的保护伞,能把太阳风暴对地球的影响降到最低。地球的这个保护伞就是地球所拥有的磁场。

地球磁场在地球周围形成了一层由看不见的粒子组成的磁气圈。它可以阻挡来自太阳的大量高能带电粒子流,有效阻挡太阳风的侵袭。如果没有磁气圈的阻挡,太阳风的粒子流可能会改变大气的成分,使生命无法存活,或者直接伤害地球表面的生物。也就是说,如果地球没有磁场,生命将不复存在。

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地球可以说是一个把北极看作是S 极,把南极看作是N 极的非常大的磁石。它的磁力覆盖在地球全身,有效地阻止了太阳风的长驱直入。

在地球磁场的反抗下,太阳风绕过地球磁场,继续向前运动,形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域,这个区域叫做磁气圈。地球就通过磁气圈来保护地球,使地球免受太阳风的冲击。

 

太阳风暴袭击地球

当太阳耀斑爆发所产生的暴风直接袭击地球时,所带的能量是巨大的。虽然有地球磁场的保护,但仍然会有少数漏网分子闯入地球。尽管它们是很少的一部分,却可能会给地球带来一系列的破坏。

它会干扰地球的磁场,引发地球磁暴,使地球磁场的强度发生明显的变动。它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……

极光爆发

太阳风暴爆发时,在北极和南极附近全天覆盖着壮大的极光,不停乱舞。这是因为从宇宙空间飞来的带电粒子的量急剧增多而导致的。平时看不到极光的低纬度地区也能看到极光现象。

不仅如此,某些时候,伴随着极光乱舞,会生成大量引起酸雨和温室效应的氮化物,也会破坏臭氧层。

大气膨胀,人造卫星受阻

太阳耀斑等太阳的活动会增加紫外线等的放射量,这些紫外线会使地球大气层的上层温度上升,引起大气层膨胀。这种情况下,低轨道人造卫星受到的空气阻力会加大,速度会降低,从而导致提早坠落。

远距离通信变得不可能

船舶等是电磁波通过电离圈的反射实现远距离通信的。当电离圈的等离子体被太阳风暴打扰后,反射的电波也会被打乱,也就不能正常通信了。

石油输油管遭到破损

在电离圈有大量的电流流动,地面上的石油输油金属管也会感应出电流,从而使输油管受到腐蚀,严重的甚至可能会出现破洞。

电离圈

电离圈是地球大气的一个电离区域,高度在80~300 千米。当太阳风暴入侵时,地球上空的等离子体层会被极大地打乱,并产生大量的电流。

人造卫星的故障

太阳的放射线会引起人造卫星的计算机故障。不仅如此,卫星如果异常带电,卫星也可能发生故障。

大规模停电

电流在电离圈流动时,会诱发地面上的输送电线产生强大电流,从而大大地破坏变电所的承载负荷,损坏设备,发生大规模停电。

汽车导航不能正常工作

电离圈的等离子体被打乱后,从那儿通过的GPS 卫星的电波路线就被打乱,汽车导航就不能显示出正确的位置情报了。

 

如果神舟九号遭遇太阳风暴

2012 6 16 18 37 分,神舟九号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。之前,人们还在担心,它是否会受到太阳风暴的影响。2012 6 29 日,神舟九号成功返回。这一过程中,神舟九号并未受到太阳风暴的影响。

但人们的担心并非多余的。相对于地面来说,在太空中,太阳风暴的威力更大。1981 年,美国哥伦比亚号航天飞机首次飞行遇到大磁暴,导致轨道下降速度比预计快60%,幸好及时采取措施才幸免于难。

这是因为太阳风暴一旦发生,高强度的高能带电粒子就会充斥空间,这会产生很强的电磁辐射,干扰航天器的工作。另外,太阳风暴会导致高层大气密度增加,阻力加大,飞船的速度会慢下来。速度一慢下来,飞船就会往下坠。

除此之外,太阳风暴还可能会给航天造成其他方面的影响。比如太阳耀斑爆发时有大量超高速的高能带电粒子释放出来(太阳放射线),这些放射线很可能会伤害到宇航员。所以当有大规模的太阳耀斑爆发时,在太空驻守的航天员会被命令退避到遮盖物比较厚而且防护比较好的舱段中。

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太阳风暴,对人类的影响越来越大

早期的太阳风暴对人类的影响有很大的局限性,而随着科技的发展,人们越来越依赖于电力和各种高科技产品,太阳风暴对人类的影响越来越大了。

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2013 年太阳风暴来袭,也许会对人类造成巨大损失

1859 年的太阳风暴,炫目的极光是留给人们的最深刻的印象。

1989 年,当太阳风暴再次袭来,已经造成了不少的麻烦:加拿大一处电力系统受到磁暴的干扰,引发设备故障,造成魁北克全省停电9 个小时。太空中同样损失惨重:人们发现,多颗卫星的功能出现了异常。

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2003 年那场太阳风暴中,两颗绕地卫星和一艘火星轨道飞行器宣告报废,至少5 颗卫星的轨道发生变化,寿命严重缩短。

甚至有科学家预测,下一次大规模的太阳风暴的爆发,给人类带来的经济损失将是卡特里娜飓风的20 (2005 年卡特里娜飓风重创美国新奥尔良州,造成1 250 亿美元损失)










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