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太阳与太阳活动

一、太阳  
       人人都知道太阳对于地球上的生物来说是至关重要的,但是很少有人能对太阳–我们生存依赖的星球–的特征和变化规律作很好的描述。
  在漫漫宇宙中,太阳只是一颗很普通的恒星,比它大的星体在宇宙中数以百万计。然而,它就象是一台巨型的能量生产机器,每秒钟产生4.0×1023千瓦的能量。换句话说,如果我们能将太阳一秒钟内向外输出的能量收集起来,按目前美国能源使用水平来计算,可以够整个美国使用九百万年。太阳的能源来自太阳核内部所进行的核聚变反应。由于太阳的核心物质的密集以及太阳尺度非常大,所以在日核产生的能量需要经历无数次的吸收和再发射,在五千万年之后到达太阳表面。也就是说,如果太阳现在停止产生能量,我们地球上需要再过五千万年之后才能感觉到。
  在过去的40到50亿年间,太阳一直不停地向外发射可见光和热辐射。太阳中有足够的氢原子使它能够在未来的1千亿年中继续产生能量。但是,大约在100~200亿年以后,太阳的表面将向外膨胀,将它的内行星包围在太阳大气中,这其中就包括了我们的地球。到那时,太阳将便成为一个红巨星。如果太阳足够大,它有可能重新燃烧,变成燃烧氦的星体。
  太阳既不是平凡的,也不是一成不变的。太阳上不断地在发生着各种活动和现象。
二、太阳黑子
太阳表面有时会出现一些暗的区域,它是磁场聚集的地方,这就是黑子。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。当强磁场浮现到太阳表面,该区域的背景温度缓慢地从6000摄氏度降至4000摄氏度,这时该区域以暗点形式出现在太阳表面。在黑子中心最黑的部分被称作本影,本影是磁场最强的区域。本影周围不太黑、呈条纹状的区域被称为伴影。黑子随太阳表面一起旋转。从地球上看,黑子大约经过27天完成一次自转。赤道附近的黑子比极区的黑子旋转的要快一些。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。
  在过去的三百年中,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。
三、冕洞
  冕洞是太阳上可以持续几个月甚至几年的变化特征。它们在X射线照片上看起来就像一个大的黑洞。这些洞的根部就在太阳表面的单极磁场区。它们的磁力线直接伸向太阳系。这些开放的磁力线允许高速太阳风不断向外流出。冕洞具有一定的周期性,但是它并不与太阳黑子周期完全吻合。在黑子数达到极大的年份,冕洞数量要多一些。在太阳活动的一些时期,只是太阳的南极和北极可以看到持续的冕洞。
四、日珥
太阳日珥(在日面上表现为暗条)通常是指由太阳磁场支撑的悬浮在太阳表面静态的云状物质。大部分的日珥都会在它一生的某个时期、某个部位发生爆发,向空间释放大量的太阳物质。
五、耀斑
耀斑是太阳上一种强烈的、短暂的能量释放过程。从地面光学观测来看,耀斑是太阳表面亮度增强的区域。从X射线和射电辐射观测来看,耀斑是一种噪声爆发。它们一般持续几分钟到几个小时。耀斑是太阳系能量最大的爆发事件,相当于投放在日本广岛原子弹的400亿倍。耀斑的第一可能的能量来源是来自强大太阳磁场的撕裂与重联。耀斑爆发产生很宽频带的电磁辐射:频率范围包括从γ射线到千米波。

六、日冕物质抛射CME
  在太阳的外层大气–日冕区,物质结构由强磁场控制。在闭合磁力线的上方通常对应的是黑子群。这些被限制的太阳大气可能会突然剧烈爆发,释放泡状或舌头状的气体和磁场,这就是CME(Coronal Mass Ejection)。一个大的CME能够包含10亿吨被加速到每小时几百万公里速度的物质。被抛射出来的太阳物质在行星际空间中迅速传播,撞击途经的每一个行星或飞行器。CME有时与耀斑相伴随出现,有时独立出现

太阳活动的近地空间效应

一、极光
极光是由太阳引起的地磁暴的一种动态的、灵敏的、可以看得见的表现。太阳风增加了磁层中的质子和电子的能量,这些粒子通常在地球的极区进入地球外层大气。但这些粒子与稀薄的高层大气中的中性分子和原子相撞击时,部分粒子就会发出不同颜色的光来。
  极光开始出现在60°到80°之间,随着磁暴的发展,极光带逐渐向赤道方向扩展。在1909年一次罕见的地磁暴中,在地球的磁赤道上的新加坡也看到了极光。极光为人们展现了一幅幅漂亮的图画,但它们却是可能对人类技术系统造成重大损害的一种信号
二、质子事件
高能质子能够在大耀斑峰值后30分钟到达地球。在质子事件发生期间,大量由耀斑位置释放的高能粒子(主要是质子)袭击地球。有些粒子可能顺着磁力线到达我们大气层的顶层。
三、地磁暴
在耀斑或爆发日珥发生一到四天,一团速度稍慢的太阳物质和磁场到达地球,撞击地球磁层,从而引发地磁暴。这些爆发是地球表面磁场的一种特殊的变化。在地磁暴期间,太阳风的一部分能量被传送到地球磁层内部,从而引起地球磁场在方向和强度上的快速变化。

极光

  来自磁层或太阳的高能带电粒子沿磁力线沉降入高层大气时与中性大气成份相碰击而激发那里的分子、原子,使之受激的发光现象(见附图)。沉降粒子主要集中在高磁纬区出现,因此极光按出现的半球又分为北极光和南极光。极光可以发生在高度70~1000km范围内。随相对太阳的方位主要出现高度区有所不同,向日侧出现高度高些,主要在200~450km;背日侧主要出现在100~150km的高度间。

  极光活动与太阳活动相关,某一位置上的极光出现频率有11年周期变化、27天重现性和日变化。极光随磁扰变化,它的强度和出现位置变化。极光是重要的空间环境现象。

                   (撰写:不清 修订:古士芬 审订:都 亨)

地球磁场

  即地磁场。它由地球基本磁场和变化磁场两部分构成。基本磁场起源于地球内部,即是通常所说的内源场,它是地磁场主要部分,有着非常缓慢的长期变化;变化磁场是起源于地球外部的电流体系即外源场,电流体系如电离层电流,磁层顶电流,磁尾电流等有不同的位置和时间尺度。由于太阳风行星际磁场的作用,使得地球磁场只存在于磁层顶以内的空间。太阳粒子辐射同地磁场的相互作用生成的各种短时间的电流,造成地磁场扰动,如磁暴,亚暴,地磁脉动等。地磁场可以作为航天器姿态测量的基准,产生姿态控制的磁力矩,它的扰动和变化影响着地球空间带电粒子的分布和变化。它是关系着航天工程和人类活动的重要地球空间环境。

                     (撰写:古士芬 修订: 审订:都 亨)

空间环境科学

  是研究空间环境的构成、变化特征、空间环境对人类活动尤其是航天活动的影响效应和应对策略,以及对未来空间环境及事件进行预报的一门与众多学科密切相关的新兴学科。它主要研究宇宙空间中对人类现在和未来的生产和生活产生影响的各种现象,它们发生的过程和规律,构造模式描述它们的特征,预报事件的发生,利用或减缓它们影响的方法和措施,以及如何保护空间环境使其免受人类活动的污染。

                     (撰写:古士芬 修订: 审订:都 亨)

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