太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)

 2022-12-17 08:32:09    107  

太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)-第1张图片

图解:这张来自NASA的照片捕捉到了一次太阳爆发,可以看出图上有太阳黑子。

Hy Zaret和Lou Singer写过一首歌,后来经They Might Be Giants乐队的传唱而流行,其中写道:“太阳是一团炽热发光的气体,是一个巨大的核聚变熔炉。”对于现代科学来说,他们对太阳的归类有些过于狭义了。到现在,我们还是不能完全了解太阳的一切过程。

但我们知道的是,我们的太阳是一个由极度炽热离子化的气体和磁场混合而成的庞然大物。我们把这种气体称作为等离子体,这也是宇宙中物质存在的最普遍的状态。形成这种气体的原子温度太高了,以至于它们不能控制住周围的电子。等离子气体以电流的形式,伴着电子穿过太阳。

太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)-第2张图片

如果对电磁学有些了解,你就会知道,一束电流会创造一个电磁场,太阳也是这样。太阳拥有环绕着的巨大的磁场,太阳的旋转使其永久存在。

为了合成更复杂的物质,炽热的物体必须膨胀。太阳就是一个这样的炽热物体。但太阳不仅体积巨大而且密度高,这就意味着它拥有强大的引力。太阳的重力抑制了它膨胀的趋势,在重力和膨胀之间达到了平衡。

这些不同的力会引发太阳表面的剧烈活动。气流会引发太阳磁力线的扭转,同时也会阻止从太阳内部产生的高温气体上升到太阳表面,从而产生太阳黑子。相比之下太阳黑子比太阳表面的其他部分暗一些,同时也比周围的温度低一些。

太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)-第3张图片

磁场阻止热气上升,困在太阳黑子下方的热气也在给磁场施压。这些气流会把磁力线卷缩成紧密的螺旋,有时甚至会影响更多的磁场。偶尔这些紧密的磁力线会自己解开,没有太多的连锁反应,太阳黑子便渐渐褪去,热气也升上了太阳表面。但有时压力不断膨胀,被压缩的磁场突然弹开,这就产生了太阳耀斑。

太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)

一个太阳耀斑不仅仅是热气的爆发。太阳耀斑发射出的光横跨了整个光谱,包括我们看不见的光——包括X射线和伽马射线形式的辐射。这种射线对人类来说是危险的。幸运的是地球的大气层吸收了大部分的高能射线。

太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)-第4张图片

这并不意味着每个人在太阳耀斑下都有绝对的安全。高海拔地区的人们,例如在飞机上的人,就有被暴露在太阳耀斑辐射下的危险性。短时间的照射可能会引发皮肤红肿过敏,长时间的照射会增大患上皮肤癌的概率。但一般来说受影响的人们可以最终自行康复。

电器在高能射线下也很脆弱。如果高能射线击中一个卫星,射线有能力剥离金属原件中金属的电子。一旦成为自由电子,它们可以短路卫星中的电子元件。电子也会产生磁场,这对卫星也是有害的。有些卫星拥有抗辐射的防护层,但大部分卫星依然很脆弱。

太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)-第5张图片

因为我们的大气层吸收了大部分的危险辐射,地表系统还是比较安全的。但是另一种太阳活动,日冕物质抛射,可以使地表电子系统产生严重故障。当日冕物质抛射发生时,太阳电磁场的波动促使太阳表面局部的剧烈膨胀,向太空喷射出数以亿万计的粒子。有时日冕物质抛射伴随着日冕,但不是所有的日冕都会产生日冕物质抛射,也不是所有的日冕物质抛射和日冕同时发生。

不同于日冕,日冕物质抛射并不会产生强烈的光,而是在太空中蔓延数十亿英里的电磁冲击波。若是地球正巧在冲击波的路径上,我们的磁场会做出反应。这和一个弱的磁场和一个强的磁场并排很相像,较弱的磁场会自发的和强的磁场并列。强大的太阳磁场会重新安排地球的磁场,使其产生不可预测的移动。

太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)-第6张图片

日冕物质抛射的后果不仅仅是漂亮的极光。磁场波动会令指南针失效。同时因为磁场可以发电,所有的导体都是诱导物。一个强劲的日冕物质抛射可以与大型的导体感应生电。这可能使电路过载并引发问题。

下面我们会一起看看一场严重的日冕物质抛射带来的后果。

灯光大秀

地球两极附近的灯光大秀是日冕物质抛射对地球影响的直观表现。亚原子粒子以不可思议的速度快速移动,引发氧气与氮气的电离。随着大气中的被激发的电子重新与原子结合,整个原子恢复成基态,伴随着能量放出,地球上空便激发出五光十色的光芒。这主要发生在地球磁场线与行星磁极的交汇处。

和太阳一起摧残电器

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图解:一场剧烈的太阳风暴可能会瘫痪一整个大陆的供电。

虽然单独的太阳耀斑不足以对地球表面产生什么影响,但强大的CME却是另外一回事。其实严重的CME在历史上是出现过的,但当时人类的电子技术并不发达,人类当时也不完全依靠电子设备,那次也就不如最近一次对人类的打击大。

1859年,剧烈的CME引起了地球磁层(地球周围的磁场)的巨大磁场波动。居住在古巴以南的人们目睹了北极光现象。指南针和电报系统瘫痪,当时的科学家和学者们对这起事件的原因议论纷纷。现在我们知道了原因就是CME。那次的太阳运动太过剧烈,以至于发展成了我们所谓的太阳能超级风暴。

太阳耀斑发生在哪一层(太阳耀斑爆发对地球的影响)-第8张图片

如今,我们对电子电器的依赖程度远远高过1859年。若是类似于当年的太阳风暴再度袭来,我们必然会陷入灾难。磁力会在任何大导体中产生电流,包括电力变压器和电网本身。

坏消息还没结束。北美电网已经接近满载,已经无力承受更多来自于太阳风暴的负荷。电线与电网可能受损甚至彻底瘫痪。整个大洲都可能暴露在电力断供的风险之下。磁力波动会进一步影响广播信号,同时通讯系统以及卫星系统也会相继崩溃。

修复工作可能长达数周或数月。在这段时间里,大众没有办法知道发生了什么,抢险工作将面临严峻挑战。 虽然磁场可能不会使所有电子设备如手机或计算机短路,但通信系统没有恢复工作。也就是说,小型的设备仍然可以工作,但缺乏可用的服务。

CME可能甚至会影响人们的计算机并导致故障。在大多数情况下,仅仅需要重启便可以解决问题,但随着电网的损坏,你可以使用的电力仅仅是电池里的电量。一旦用完了,你就会陷入困境。

没有办法阻止高能太阳风暴,但我们可以采取措施来限制CME的危害。 第一个是彻底检修电网系统。我们需要一个智能电网,在其运行时不会像如今电网运行时的满载负荷运行。 我们还需要开发屏蔽系统,以此尽可能地保护我们的电气基础设施免受磁波动的影响。

即使在最糟糕的情况下,高能太阳风暴也不会马上扫平全球所有的电力系统。相对来说,一些地区仍然可以幸存下来。若要一举瘫痪全球电力系统,所需要的太阳活动必然是在维度上与强度上都是史无前例的。 但即使在普通的CME下,看似是太阳的小打小闹,地球仍然是脆弱不堪的。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. science-JONATHAN STRICKLAND

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