2016年3月7日

太陽系中的風暴— 太空天氣

作者/呂凌霄〈中央大學地球科學院太空科學研究所教授,研究領域包含太空電漿物理、電腦數值模擬、太陽物理、磁層物理、行星際空間物理、激震波等。〉

太空天氣(Space Weather) 這個名詞, 早在距今約六十年前,也就是蘇、美首顆人造衛星升空的年代(1957~1958年),就已經被提出來使用過了。可是當時科技不夠發達,因此太空天氣的變化,對一般民生的影響,微乎其微。因此其後的三十年,太空天氣這個名詞很少出現在文獻與新聞報導中,但是科學家仍沿用氣象中storm(暴風雨/暴風雪)這個字眼,來描述某些特殊的太空天氣事件,例如,日磁暴(solar magnetic storm)、磁暴(magnetic storm)、磁副暴 (magnetic substorm)、電離層暴(ionospheric storm)等。隨著科技的進步,同步衛星、全球衛星定位系統(GPS)、長距離的電力傳輸、越洋航空、太空探險,都深受這些太空中storms 的影響。因此在三十年前,太空天氣再度被提出來,並成為太空科學家與一般民眾溝通的重要話題。

什麼是太空天氣?
太空天氣就是太空中的游離態氣體與磁場所構成的電磁環境與變化。雖然太空中好天氣的時間佔一半以上,但是談到太空天氣,大家想到的都是惡劣的太空天氣。驅動太空天氣的能量來源是太陽。圖一顯示太陽內部的結構。太陽的核融合反應產生的高溫讓太陽的大氣成為游離態氣體(電漿,plasma)。而影響太空天氣甚巨的太陽磁場,則是在太陽的對流層中產生的,其中表面對流層是超米粒組織與黑子的產生區,也是浮出太陽表面之暗紋與日珥等磁繩結構的主要產生區。

日磁暴造成的惡劣太空天氣
用氫–α(H-alpha)光譜觀測太陽,在太陽盤面可以看到長短粗細不同的暗紋(filam-
ents),暗紋轉到在太陽盤面邊緣就是光亮浮起的日珥(prominence),如圖二所示。長又粗的大尺度暗紋,生命期超過半個月(太陽自轉週期約一個月),開始上升後,要一天左右才會噴發。太陽黑子群附近對流旺盛,容易形成細又短的暗紋,生命期只有兩三天。開始上升後,只要幾小時就會噴發。在活動區一條細短暗紋噴發後,很快又會形成另一條細短暗紋。暗紋噴發時,會遇到上方的日冕(corona),於是就會像幼兒用筷子撈麵那樣,一部分麵條滑落麵碗,形成太陽閃焰(solar flare),一部分麵條打入空中變成日冕物質拋射(coronal mass ejection, CME)。噴發後的暗紋就變成磁雲。在磁雲與CME 的前方會形成激震波。這整個過程就構成了日磁暴事件。因此當一團黑子群出現在太陽盤面時,我們就可預期未來半個月,會持續有多次的日磁暴事件發生。至於盤面上大尺度的暗紋噴發,就像非地震帶的地震,很難預測!


圖二 (Big Bear Solar Observatory)



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