15.4: 太空天气
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释什么是太空天气以及它如何影响地球
在前面的章节中，我们已经看到，一些从太阳发射的粒子——要么像太阳风一样稳定下来，要么像CMES这样的大爆发——将到达地球及其磁层（环绕我们星球的磁影响区域）。 好像科学家在预测地球天气时没有遇到足够的麻烦，这意味着他们现在面临着预测太阳风暴对地球影响的挑战。 这个研究领域被称为太空天气；当天气变成暴风雨时，我们的技术就会受到威胁。
随着成千上万颗卫星进入轨道，宇航员在国际空间站长期居住，数百万人使用手机、全球定位系统和无线通信，几乎所有人都依赖可靠的电力，政府现在正在对以下方面进行重大投资试图学习如何预测太阳风暴何时发生以及太阳风暴将对地球产生多大的影响。
一些历史
我们现在研究的太空天气是在1859年首次认识到（尽管尚未被理解），即现在所谓的卡灵顿事件。 同年9月初，包括英国理查德·卡灵顿在内的两名业余天文学家独立观测了太阳耀斑。 一两天后，一场重大的太阳风暴到达了地球磁场区域，该区域很快就被带电粒子超负荷（将地球视为行星）。
结果，极光活动非常激烈，北极光的可见度远远超出了两极附近的正常位置——南至夏威夷和加勒比海地区。 天空中发光的灯光如此强烈，以至于有人报告说半夜起床，以为一定是白天。
1859年的太阳风暴发生在一种新技术开始将美国和其他一些国家的人们联系在一起的时候：电报系统。 这是一台通过架空电线（有点像互联网的早期版本）以代码形式发送消息的机器和网络。 淹没地球磁场的带电粒子向我们星球的表面下降并影响了电报系统的电线。 可以看到火花从裸露的电线和系统办公室的电报机中冒出来。
在这些影响地球之前对明亮耀斑的观测引发了科学界的猜测，即太阳活动与对地球的撞击之间存在联系——这是我们对今天所谓的太空天气的理解的开始。
太空天气来源
三种太阳现象——日冕洞、太阳耀斑和CME——是我们经历的大部分太空天气造成的。 日冕洞允许太阳风自由流出太阳，不受太阳磁场的阻碍。 正如我们所见，当太阳风到达地球时，它会导致地球的磁层收缩，然后在太阳风经过后膨胀。 这些变化可能在地球上造成（通常是轻微的）电磁干扰。
更严重的是太阳耀斑，它用X射线、高能粒子和强烈的紫外线辐射冲向地球的高层大气。 X 射线和紫外线辐射可以使地球高层大气中的原子电离，而释放的电子可以在航天器表面积聚电荷。 当这种静电放电时，它可能会损坏航天器中的电子设备，就像你在干燥的气候中穿过长袜脚的地毯，然后触摸电灯开关或其他金属物体时会受到冲击一样。
破坏性最大的是日冕物质抛射。 芝加哥商品交易所是一个由数千万吨气体从太阳吹入太空的喷发泡沫。 当这个气泡在离开太阳几天后到达地球时，它会加热电离层，电离层膨胀并深入太空。 结果，大气层和航天器之间的摩擦增加，将卫星拖到较低的高度。
在1989年3月特别强烈的耀斑和芝商所发生时，负责追踪大约19,000个绕地球运行的物体的系统暂时失去了对其中11,000个物体的追踪，因为它们的轨道因地球大气层的膨胀而改变。 在太阳最大值期间，许多卫星被带到如此低的高度，以至于它们被与大气的摩擦摧毁。 哈勃太空望远镜和国际空间站（图\(\PageIndex{1}\)）都需要重新提升到更高的高度，这样它们才能保持在轨道上。
太阳风暴对地球造成的伤害
当芝商所到达地球时，它会扭曲地球的磁场。 由于不断变化的磁场会产生电流，因此芝商所会加速电子，有时会加速到非常高的速度。 这些 “杀手级电子” 可以深入卫星，有时会破坏其电子设备并永久禁用运行。 一些通信卫星曾发生过这种情况。
地球磁场的干扰会导致通信中断，尤其是手机和无线系统。 实际上，在太阳高峰期，预计每年会发生几次中断。 CME 导致的地球磁场变化也可能导致电力线浪涌足够大，足以烧毁变压器并导致严重的停电。 例如，1989年，由于一场大太阳风暴，加拿大蒙特利尔和魁北克省的部分地区停电长达9个小时。 与欧洲相比，北美更有可能发生由CME引起的停电，因为北美离地球的磁极更近，而CME引起的电流最强。
除了改变卫星的轨道外，CME 还会扭曲它们发出的信号。 这些效果可能足够大，足以降低 GPS 派生位置的精度，因此它们无法满足飞机系统所需的限制，飞机系统必须知道自己的位置在 160 英尺以内。 CME造成的此类干扰有时会迫使美国联邦航空管理局将航班限制在几分钟内，甚至在少数情况下甚至数天。
太阳风暴还使宇航员、高空飞行飞机的乘客甚至地球表面的人受到越来越多的辐射。 例如，宇航员在职业生涯中可以暴露的辐射总量有限。 一次不合时宜的太阳爆发可能会结束宇航员的职业生涯。 随着宇航员在太空中停留的时间越来越多，这个问题变得越来越严重。 例如，俄罗斯和平号空间站上每天的典型辐射剂量相当于大约八张胸部X光片。 规划人类探索火星的主要挑战之一是设计一种保护宇航员免受高能太阳辐射的方法。
事先警告太阳风暴将有助于我们最大限度地减少其破坏性影响。 电力网络的运行可能低于其全部容量，这样它们就可以吸收电涌的影响。 通信网络可以为故障做好准备，并制定备用计划。 可以安排太空行走的时间来避免大规模的太阳爆发。 科学家们正在努力寻找方法来预测耀斑和CME将在何时何地发生，以及它们是大型、快速的事件还是对地球影响不大的小而缓慢的事件。
该策略是将小型活跃区域外观的变化和太阳上局部磁场的变化与随后的喷发联系起来。 但是，目前，我们的预测能力仍然很差，因此，我们得到的唯一真正警告是实际看到 CME 和耀斑的发生。 由于芝商所以每秒大约 500 千米的速度向外移动，因此对火山喷发的观测可以在距离地球的距离发出数天的警告。 但是，撞击地球的严重程度取决于与芝商所相关的磁场相对于地球磁场的方向。 只有当芝商所流过我们为此目的搭建的卫星时，才能测量方向。 但是，它位于距离地球上游约一个小时的地方。
现在，科学家和公众可以在线获得太空气象预测。 展望将在一周前公布，当有公众可能感兴趣的事件时发布公告，在事件即将发生或已经发生时发布警告和警报（图\(\PageIndex{2}\)）。
要查找有关太空天气的公共信息和警报，您可以向国家太空天气预报中心或 SpaceWeath er寻求来自多个来源的综合信息。
幸运的是，我们可以预计，未来几年的太空天气将更加平静，因为最近的太阳最大值相对较弱，发生在2014年，科学家们认为当前的太阳周期是近代历史上最不活跃的太阳周期之一。 我们预计会发射更多的卫星，这将使我们能够确定CME是否正在驶向地球以及它们有多大。 正在开发模型，这些模型将使科学家能够利用有关芝商所的早期信息来预测其可能对地球造成的影响。
希望到下一个最大值时，太阳天气预报将具有气象学家对地球表面陆地天气所具备的部分预测能力。 但是，最难预测的事件是规模最大、最具破坏性的风暴——地球上的飓风和太阳上罕见的极端风暴事件。 因此，太阳不可避免地会继续给我们带来惊喜。
示例\(\PageIndex{1}\)：太阳事件的发生时间
基本方程式可用于确定太阳上的事件何时会影响地球：
\[ \text{distance } = \text{ velocity } \times \text{ time, or } D=v \times t \nonumber\]
将两边除以\(v\)，我们得到
\[T=D/v \nonumber\]
假设你在宇航员绕地球运行时观察到一个重大的太阳耀斑。 如果太阳风的平均速度为400 km/s，与太阳的距离为1.496×10 8 km，那么在耀斑期间从太阳喷出的带电粒子还需要多长时间才能到达空间站？
解决方案
太阳风粒子到达地球所需的时间是\(T = D/v\)。
\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{400 \text{ km/s}}=3.74 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{3.74 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} = 4.3 \text{ d} \nonumber\]
练习\(\PageIndex{1}\)
如果太阳风速提高到500 km/s，粒子需要多少天才能到达地球？
- 回答
-
\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{500 \text{ km/s}}=2.99 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{2.99 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} =3.46 \text{ d} \nonumber\]
地球的气候和太阳黑子循环：有联系吗？
尽管太阳每天都在可以精确计算的时间忠实地升起，但科学家们已经确定，太阳的能量输出并不是真正恒定的，而是几个世纪以来相差很小，可能不到1％。 我们已经看到，黑子的数量各不相同，黑子最大值之间的时间约为11年，而最大黑子的数量并不总是相同的。 大量证据表明，在1645年至1715年之间，即使在黑子最大值时，黑子的数量也比现在少得多。 古斯塔夫·斯普勒在 1887 年首次发现了这种黑子数量明显较低的间隔，然后 E. W. Maunder 在 1890 年发现了这种黑子数量明显较低的间隔；现在它被称为 Maunder Minimu m。 图中显示了过去三个世纪中黑子数量的变化\(\PageIndex{3}\)。 除了十七世纪的 Maunder Minimum 之外，十九世纪上半叶的黑子数量略低于现在；这个时期被称为 Little Maunder Minimum。
当黑子数量很高时，太阳也会以其他各种方式活跃，而且，正如我们将在下文的几个部分中看到的那样，其中一些活动会直接影响地球。 例如，当黑子数很高时，会有更多的极光显示。 极光是在来自太阳的带能粒子与地球的磁层相互作用时产生的，而当太阳处于活动状态且黑子数量很高时，它更有可能喷出粒子。 历史记载还表明，在 Maunder Minimum 的几十年中，极光活性异常低。
Maunder Minimum 是欧洲气温异常低的时期，如此之低，以至于这段时期被描述为小冰河时代。 这种时间上的巧合促使科学家们试图了解太阳的微小变化是否会影响地球的气候。 有明确的证据表明，在十七世纪的部分时间里，欧洲的天气异常寒冷。 伦敦的泰晤士河至少冻结了11次，英格兰东南部沿海的海洋中出现了冰，夏季气温低导致生长季节短和收成不佳。 但是，在这个时间尺度上太阳的变化是否以及如何影响地球的气候仍然是科学家争论的问题。
气候的其他小变化，例如小冰河时代，已经发生并对人类历史产生了影响。 例如，来自挪威的探险家首先殖民了冰岛，然后在986年到达格陵兰岛。 从那里，他们得以在大约 1000 年至 1350 年之间多次访问包括纽芬兰在内的北美东北海岸。 （当时的船只不允许北欧探险家直接前往北美，而只能从格陵兰岛出发，格陵兰岛是进一步探索的基地。）
格陵兰岛的大部分地区都被冰覆盖，格陵兰岛站从来就无法自给自足；相反，它依赖从挪威进口的食物和其他商品来维持生存。 当十三世纪开始一个小冰河时代时，航行变得非常困难，不再可能支持格陵兰殖民地。 与它的最后一次接触是由一艘来自冰岛的船只在 1410 年偏离航线进行的。 1577 年，当欧洲船只再次开始访问格陵兰岛时，那里的整个殖民地都消失了。
这些迁移模式的估计日期遵循我们对太阳活动的了解。 太阳活动在1100年至1250年之间异常高，这包括欧洲首次与北美接触的时候。 从1280年到1340年，活动处于低位，有一点冰河时代，大约是与北美以及格陵兰岛和欧洲之间停止定期接触的时候。
但是，假设黑子数量低或太阳能量输出的变化导致了小冰河时代，必须谨慎行事。 没有令人满意的模型可以解释太阳活动的减少会如何导致地球温度降低。 另一种可能性是，小冰河时代的寒冷天气与火山活动有关。 火山可以将气溶胶（微小的液滴或颗粒）喷射到大气中，从而有效反射阳光。 例如，观测表明，1991年的皮纳图博喷发将二氧化硫气溶胶喷射到大气中，从而减少了到达地球表面的阳光量，足以将全球温度降低0.4°C。
卫星数据显示，太阳在太阳周期中输出的能量仅相差约0.1％。 我们知道没有任何物理过程可以解释如此微小的变化会如何导致全球温度变化。 但是，太阳活动水平可能会产生其他影响。 例如，尽管在太阳周期中，太阳的总能量输出仅变化0.1％，但在太阳最大值时，其极紫外线辐射比太阳最小值高10倍。 这种较大的变化会影响高层大气的化学和温度结构。 一种影响可能是臭氧层减少，地球两极附近的平流层降温。 反过来，这可能会改变高空风的环流模式，从而改变风暴的轨迹。 最近有一些证据表明，与地球的全球温度相比，区域降雨的变化与太阳活动的关联性更好。 但是，正如你所看到的，太阳上发生的事情与短期内地球气候发生的事情之间的关系仍然是科学家们正在研究和辩论的领域。
无论太阳活动对当地降雨或温度模式产生什么影响，我们都想强调一个重要观点：我们的气候变化数据和为解释这些数据而开发的模型始终表明，太阳的变化不是全球变暖的原因在过去的50年中。
关键概念和摘要
太空天气是太阳活动对我们自己的星球的影响，无论是在我们的磁层还是在地球表面。 日冕洞允许更多的太阳物质流入太空。 太阳耀斑和日冕物质抛射可能造成极光、破坏通信、损坏卫星并导致地球停电。