太阳活动与人类生存环境 汪景琇-第2节
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我现在给大家看到的是第23太阳活动周，也就是说这次太阳活动周，是最壮观、最剧烈的一次太阳斑耀爆发情形。大家看到这是紫外观测到的太阳辐射。那么在太阳爆发之后，大家看到这个画面上出现了很多的雪花点，这种雪花点，空间物理学家把它称为雪暴。什么叫做雪暴？为什么会出现雪暴？可能有的同学会想到，因为这个观测是在空间地球轨道处的卫星上观测到的，那么耀斑爆发的时候，产生大量的高能粒子，这些高能粒子传播到以差不多相对论的速度，就是零点几倍的光速，也就是说花几分钟到几十分钟的时间，传播到地球轨道处，打在卫星探测器的耙面上，打在耙面上之后，使得探测器短期工作失灵，所以这个时候你看到的是这种雪花点，所以空间物理学家把它称雪暴。
太阳上不只是有X射线爆发，软硬X射线爆发，太阳上还有核反应，核反应的标志，就是你观测到γ射线。那么太阳主要的γ射线，我不能一一给大家介绍，但是大家至少要明白，太阳上由于核反应的结果会有正电子、负电子，正电子、负电子在湮没的时候，出现了0。511兆电子伏特的γ暴γ射线。这是条线辐射，很强的线辐射，由于太阳爆发，轻的原子核，它俘获了中子之后变成了氘核，氘核被激发之后，它又衰变下来，又产生了一个2。223兆的电子伏特的γ射线。那么太阳上在耀斑当中有核裂变，就是一个很大的核，被一个核冲击的时候、撞击的时候，它会分裂成小的核，而这个小的核本身是激发了的，所以它在衰变下来的时候，产生了更高能的γ射线。我们看到这是跟踪者卫星，在太空拍摄的一个暗条爆发的情形，因为图面比较暗，大家不知道是否能看到这部分的暗条物质抬升的情形，一部分暗条物质抬升和爆发之后，又有一部分暗条物质回到太阳表面。大家看到这是明亮的两带，这两带在太阳物理上被称为双带耀斑，那么暗条有的时候它并不出现在太阳表面，而是出现在太阳的边界，这种情况下，暗条被称为日珥。大家看到日珥是很漂亮的现象，它生在太阳之外，就像人的耳朵一样，所以叫做日珥。那么有的时候日珥爆发的时候，会增长得非常之大。这是一个爆发日珥被拍下来的情况，我们看到的这部分就是地球的大小，所以大家看到地球还没有日珥的一条腿这么大，我们的地球、我们的蓝色星球在太阳面前实在是太小，它是太阳的子女，所以它实在比太阳要小得很多很多。有的时候这个日珥会一直爆发到地球的范围。这是我们看到的一个模拟的日珥爆发的情形。太阳爆发会延着这个方向一直伸展过来，日珥伸展到地球附近的时候，它里边有复杂的磁力线结构，这里是我们模拟的日珥磁场结构，它是个扭缠的磁环，所以变得很漂亮，变成日珥爆发的情形。在太阳边缘看到的日珥爆发，实在是非常壮观的现象，下面我们来介绍日冕物质抛射。
日冕物质抛射跟耀斑和暗条比，它有很多特点，什么特点？就是尺度最大，另外它也是最壮观的太阳活动现象，是空间灾害天气的最主要的驱动源。这种大尺度，乃至全球尺度的现象，造成了磁场不稳定性和磁化等离子抛射在其他天体对象中还刚刚被观测到，那么在哈勃望远镜观测到一个密近双星当中的恒星的物质抛射现象。我们可以看到，这是SOHO卫星在地球轨道处所观测到的日冕物质抛射的情形，大家看到日冕物质抛射非常壮观。我给大家稍微解释一下，中间部分是我们的太阳，这是一个日冕仪，空间日冕仪的遮光板，它是覆盖了大概六个太阳半径的范围，所以太阳明亮的光盘我们看不到，所以这样才把日冕外边的爆发现象显示出来。大家看到这个日冕物质抛射，好像抛射出来一个封闭的一个环状的结构，那么其他日冕物质抛射也非常地壮观，有的日冕物质抛射有扭缠的结构，那么亮的结构本身就是扭缠，像鞭子一样抽动，各种各样的复杂现象。我这里值得请大家注意的是，由于六个太阳半径的太阳，明亮的部分被遮住了，所以我们不只是能看到日冕和日冕活动，而且我们能看到太阳系的几个行星。这是我们观测到的日冕物质抛射情形，大家注意，这块有个非常漂亮的彗星掠过太阳附近，这是我们的彗星，实在是非常美丽。那么大家有的时候会看到行星掠过太阳附近，有时候大家看到在日冕被遮住之后，我们看到背景的星系掠过太阳附近的情形，大家看到背景的星系穿过的行星，所以空间观测确实是空间的高技术，把人带到一个完全新的境界，那么给空间物理的研究、太阳物理研究、天体物理研究完全带来了新的生机。
有的时候日冕物质抛射会非常壮观，大家看到这个日冕物质抛射，亮的物质整个环绕太阳的圆面。为什么会有这种日冕物质抛射，同学们可以稍稍动点脑筋，这就因为这个日冕抛射物质太大了，它发生在日冕中心附近。所以当它抛出去的时候，整个太阳的圆面，如果这是一个太阳的话，那么日冕物质抛射这样抛出去，整个的圆面被亮的日冕物质所覆盖。那么日冕物质抛射时候，等离子温度是两百五十万度左右，每次抛射的质量，大概几十亿吨的等离子体被抛射到行星际空间。那么这样一个日冕物质抛射，大家马上想到它是对着地球来的，或者背离地球而去的。那么我们要研究日冕物质抛射，我们就把各种各样的太阳像象叠加在一起。比如这里我们看到的是太阳紫外观测的太阳图像，太阳变得这么小。这是在一个日冕仪Lasco C2所观测的日冕物质抛射。这是在一个日冕仪就是LascoC3这样一个日冕仪观测到的日冕物质抛射，大家把日冕物质抛射的时间轨迹连起来，那么你们马上就可以想到，我们可以通过最小二乘法的外推，把日冕物质抛射，在太阳表面开始的情形得到，我们也很快得到这个日冕物质抛射的温度。那么我们根据日冕物质抛射所占的范围和它的密度，可以估计日冕物质抛射的整个物质的密度，多少物质被抛射出来。所以这些就是天文学家做研究的时候，所采用的办法。平均的日冕物质抛射，它平均的角度是45度，就是太阳伸出来45度角，一直抛射出来，抛射的物质是50到500亿吨，这是日冕物质抛射，抛射是一种物质。那么它发生的频次，在太阳活动极大的时候，大概每天有3。5次，在太阳活动极小的时候，每天是0。2次。所以大家注意到，日冕物质抛射实在不是什么罕见的现象，对太阳来说是非常普遍的一种爆发现象。那么流失的物质，大概每秒流失了20万吨。所以大家看到日冕物质抛射实在是一种很激烈的现象。那么日冕物质抛射前端速度是50公里到1200公里，它的平均速度是每秒400公里，到达地球的时间是100小时。那么我这里想给大家看的，是一个从表面现象到日冕物质抛射都联系起来的情形。大家看到这样一个爆发，扰动了大范围的太阳表面。细心的观众能够看到，亮和暗的波传播的过程，那么这样一个爆发现象，也是一个直接对着地球而来的日冕物质抛射，这种对地的日冕物质抛射，大家看到它大概影响了我们看到整个亮的日冕物质，覆盖了360度这么大的范围。这样一个日冕物质抛射也是很著名的，这是太阳周以来很著名的日冕物质抛射，对空间环境也有很重要的影响。
现在我们看的日冕抛射，是一个快速的日冕物质抛射，在这一端出现，大家看到了吗？它一个宽大的磁环整个打开，大家看到磁环的曲率发生变化。原来是这样一个磁环，最后变成这样一个曲率的磁环伸过去，那么这样一个日冕物质抛射，在太阳表面引起了大范围的扰动，那么现在你将看到的是，这个磁环引起的太阳表面的大范围扰动，大家看到大范围的太阳表面变得暗起来，可是同学们看到，说我观测太阳，从来没有看到这个太阳会有这么大范围变暗的情形。但大家不要忘了，这是远紫外所观测到的太阳辐射，那么在太阳的可见光，太阳总量的变化只有千分之一到千分之二，大的时候能到千分之五到六，可是在紫外辐射，你看到太阳的亮度会变化几倍、几十倍，那么这X射线辐射到太阳亮度变化，会到几百倍、几千倍，那么γ射线，那就是更大的一个辐射变化。所以太阳这种短波辐射的变化，对地球环境有很重的影响，一会儿我会提到。那么这是我们看到的刚才那些日冕物质抛射引起的太阳表面大范围暗化的情形，这种情况是在太阳物理上被称为紫外的暗化，那么如果我们注意一下这个暗化区域的磁场结构，我们注意到它是跟大范围的磁环相联系的。所谓日冕物质抛射，就是这样一个大范围的磁通量系统不稳定抛向行星际空间的过程。
现在我们回到太阳周。太阳上有复杂的活动现象，这种活动现象又有每11年、每22年的一个周期。那么你现在看到的是2000年，也就是太阳极大年的时候紫外观测到的太阳。到1996年的时候，太阳是一个暗淡的星球，几乎没有什么辐射，那么你只看到极区的冕洞，一块暗黑的大范围的区域。可是到2000年，马上你就看到太阳上变得这样热闹，会有大量的明亮的辐射，许多个活动区都挤在一起，如果你看太阳活动的情形，你会看到，开始这段时候是1992年，是太阳活动最大的时候，到1996年，在X射线观测的太阳就变得暗起来，几乎看不到X射线的形象，那么在日全食的时候，你会观测到太阳极大的时候，日冕是均匀分布的，是银灰色的日冕，整个覆盖到暗淡的太阳的表面，可是在太阳极小年的时候，日冕像长了两个蝴蝶的翅膀。
这是我们太阳周的情况，太阳周的时候每11年，太阳黑子的数目和面积从最多到最小。现在开始的太阳周是第23太阳活动，那么它极小年在1996年，极大年可能是在2000年附近。这是著名的蝴蝶图，这是孟德尔天文学家他发现的，用蝴蝶图的方式来描述太阳黑子出现和迁移的过程，是最客观也最容易。那么在一个太阳周开始的时候，就是太阳低年附近，太阳黑子会在高纬南北30度以外的地方出现，然后逐渐太阳黑子的活动带向极区迁移，最后到达极区，这是太阳周。那么注意到跟太阳黑子的活动周相应，我们地磁活动也有复杂的11年周期，那么11年来，太阳还有总亮度的变化。大家注意到，这是太阳极大的时候到极小的时候，它的总亮度变化虽然不大，但是这个变化对人类的生存环境却有重要的影响。这还是我们看到的2000年7月14号耀斑爆发的情形，那么我们注意到，它所对应的太阳表面的磁场演化。
这是我们国家怀柔太阳观测站，所观测到的太阳向量磁场演化的情形。目前为止，我们国家的怀柔太阳观测站，仍然保留了世界上最好的太阳磁场观测。大家看到，那么导致这次重要日冕物质抛射的太阳磁场演化，是非常复杂的。大家注意到，这里有大范围的磁通量消失过程，这个地方也有大范围的磁通量消失过程。另外，这个地方我们注意到磁场的走向，扭转到跟磁场的极性反变线完全平行的情形，这种情形在太阳物理上被称为磁剪切。它孕育了大量的磁能，这是我们看到的，这是日冕物质抛射的情形，刚才我已经解释过了。现在大家看到的是属于雪花暴，那么大家看到这次从日冕物质到雪花暴发生，只有不到20分钟的时间，大家注意到这次粒子抛射到地球的时间，可以用零点几倍的光速粒子传输速度来解释。所以这次爆发产生了高能粒子，粒子在短时间内被加速到相对论水平。现在我们回到另外一个问题，就是太阳活动对人类生存环境到底有什么影响。
大家看到这是我们的太阳，这是日冕物质抛射，太阳可以影响地球的气候和天气过程，可以影响地磁暴，可以影响农业，可以影响供电系统。那么几类主要的空间活动，我给大家罗列一下，一个是电磁辐射，电磁辐射是通过耀斑X射线和紫外辐射，通过对电离层的影响，另外日冕物质抛射造成的高能粒子，它会把地球的磁层压到地球同步轨道之内，增强地球的辐射带，导致磁暴和磁亚暴，使得卫星受到损伤。那么本次太阳周以来，已经有两个耗费两亿美金的卫星，因为日冕物质抛射被报废，那么地磁暴可以影响供电系统的安全，极光的亚暴的电流，可直接影响宇航和�
