太阳活动和磁暴

5．太阳活动和磁暴

太阳活动与太阳局部磁场密切相关，当太阳局部磁场出现后，伴随而来的是太阳的辐射和高能粒子辐射，像“风”一样“吹”遍日地空间，甚至吹到木星和土星的轨道以外，吹遍整个太阳系空间。因此有人说，地球就好像是漂浮在太阳磁场和粒子流（即太阳风）形成的汪洋大海之中。太阳活动可以引起许多地球物理现象，如地球磁场的变化、电离层的扰动、极光以及气候异常等等。

前面已经提到，早在50年代已发现地球外层空间存在一个磁层，地球的磁层是带电粒子在地球磁场中受到约束形成的，带电粒子流就是太阳风的质子流。太阳风的物质，主要由氢原子核（即质子）和氦核（α粒子）组成。到达地球附近空间的速度，平均约为每秒400km，有时达到每秒770km，最慢的也有每秒320km。太阳风压缩地球磁场而形成磁层。地球磁场被太阳风压缩，即地球的磁力线被压缩变弯曲，使得地球的磁场要素（磁场总强度、磁偏角和磁倾角）发生了变化。

在太阳活动极大期，太阳的短波辐射（紫外线和X射线）增强，有时突然出现大的耀斑，短波辐射大大增强，同时吹起强劲的太阳风，使得地磁要素产生不规则的变化，被称为“磁暴”。

大的耀斑能引起磁暴，还有“冕洞”——日面上局部磁场开放的区域。看起来是在日冕中一大片呈条状的暗黑区域，往往是从太阳的南极或者北极向太阳赤道附近延伸。使人费解的是，为什么冕洞不在太阳的活动区而是在宁静区，为什么它的温度和密度都比日冕其他区域要低得多，特别是不知为什么它是太阳风的“风源”，和引起磁暴的重要因素，冕洞又是如何形成的，都有待进一步研究。

图3-6　太阳光斑

太阳风吹到地球的磁层，并不是成直线，而是成螺旋线。这是因为太阳每27天自转一周，不论是从耀斑或是从冕洞吹出来的太阳风，都被太阳自转所驱动与太阳磁场一道旋转，好像电扇的叶轮在旋转，太阳风内的粒子流，从叶面出来向四面八方，随着磁场飞速而去。太阳风粒子进入到地球磁层后，被地球磁场所捕获，形成两条环形辐射带又叫范艾伦带（见图3-2），离地面几千至1万多千米，是地球的两道“防线”。由于这两道防线屏蔽了太阳风粒子流进入到地面，从而使得来自太阳的高能粒子不致损害人类的健康。

磁暴期间，在地球的两极会出现绚丽多彩的光带，五颜六色的光流，还有褶皱的光幕，使人如临仙境，这就是“极光”。如果有磁扰，在地球的北极和南极地区，就会观察到指南针的磁针反常地来回强烈跳动。如果发生磁暴，极光会增强。由于太阳风的作用，当太阳辐射的高能带电粒子进入到地球的高层大气层后，带电粒子使得电离层中的原子电离，电离的自由电子沿着地球磁场的磁力线进入到地球的极区，使在那里的气体受激发而发光。

太阳活动辐射的高能粒子流，即太阳风，对地球上的生命会造成威胁。然而，我们的地球有一个磁场，这个磁场在太阳风的作用下形成地球的磁层，把大量的高能粒子屏蔽在地球高层空间，即使有一些闯入地球大气的高能粒子，也会被电离层反射或者是在地球磁力线的作用下引导到地球的两极，进入低大气层或者辐射到地面的高能粒子，就为数不多了，对地球生命或者是对我们人类已构不成致命的威胁。

太阳活动对地球大气层也有影响。太阳活动区的短波辐射（紫外线和X射线）可引起地球高层大气的分子电离。电磁波有一特性，它在电离的气体层内会产生折射，使电磁波传播偏离原来的方向，就像光线投射到水面内产生的折射一样。电磁波进入到地球的电离层后，也会产生折射。当折射角接近临界角时，就成为反射了。太阳的短波辐射，使地球的电离层产生大量的自由电子，自由电子越多，电离层对无线电波的反射就越利害。不过电离层各分层反射电磁波的性质不同。电离层的下层主要反射短波，E层下面的D层，自由电子更少，只反射长波无线电波。

当太阳上出现大耀斑时，太阳的紫外辐射可增加1～2倍，而X射线会突然增高几十乃至几百倍。这时，电离层的自由电子也随之增多，从地面传播到电离层的无线电波，可能不再被反射，而是被吸收，使地面的无线电讯号中断。当太阳上出现大耀斑时，无线电通讯（主要是短波）会受到严重的干扰，一旦短波讯号被吸收，就使通讯中断，无线电通讯中断主要是在短波范围内。

耀斑的辐射波段很宽，从可见光波段到紫外波段，甚至有时辐射X射线和Υ射线。波长越短，能量越高。有些耀斑不辐射能量很高的短波辐射，这样，也就不会产生短波通讯中断现象；但是，有的耀斑虽然很小，甚至在日面上看不到耀斑，也可能有很强的X射线辐射使电讯中断。这就为准确地预报耀斑的出现，能否干扰电讯中断带来很大的困难。

除了上面所谈到的太阳活动对地磁场、电离层的影响外，太阳活动对地球气候、降水以及地震都有影响。不过太阳活动对气候、降水和地震的影响，不那样直接明显。太阳的短波辐射，对地球高层大气的影响比较大，对地球低层大气的影响所产生的气候变化、天气过程等是间接的，也比较复杂。我国著名科学家竺可桢，在研究长江流域雨量与太阳黑子的关系时发现，长江流域的降水与太阳活动磁周期有关。

近年来有人研究了中国古代各地旱、涝资料，发现太阳活动单周期与双周期对气候的影响是不同的。特大旱年多数出现在双周期的低值年附近，即太阳黑子相对数的低值年前后；在单周期的低值年前后旱年较少，也不出现特大的旱年。太阳活动周期的基本周期平均为11年；磁周期平均是22年。所谓磁周期，是日面上南北两半球的领先太阳黑子的极性从N极转变成S极，再由S极转变成N极所经历的时间。在先一个11年活动周中，如果北半球的领先黑子是N极，南半球的领先黑子是S极，那么，在下一个11年的活动周，领先黑子的极性反转，即北半球的领先黑子呈S极，南半球呈N极，再下个基本活动周又恢复到前一个活动周的极性。这一过程正好经历两个基本活动周的时间，是22年。所以磁周期平均是22年，有时又叫海耳周期。国外的研究，也都支持旱涝的发生与太阳活动的磁周期有关。不少地区的气温变化也具有22年的磁周期。有人研究了近几十年的全国气温的变化，发现在奇数周的太阳活动峰年前后，全国大范围温度偏低，而在偶数周的峰年前后，全国大范围温度偏高。

太阳活动对气温的影响，除了长期变化的关系外，还存在短期现象。如大磁暴后一个月内地面气温有明显的增温，这是由于太阳上的大爆发引起地球平流层发生爆发性增温现象。在几天之内可以使温度上升20～30℃。这种强烈的增温和平流层环流的改变联系在一起。

近十几年来，人们对太阳活动与地震的关系发生了兴趣。前苏联西金斯认为，全球最强的地震活动性，发生在太阳11年周期的峰年与谷年前后。并且他还提出，强震发生时刻与太阳活动过程有关，并认为太阳活动对地震的影响是通过大气过程来实现的。我国也有人支持这种看法。虽然人们从统计的方法得到太阳活动与地震有密切的关系，但是太阳活动如何触发地震的机制还不清楚，有人认为是太阳活动会引起地球自转速度的改变，从而影响地震。总之，有关太阳活动与地震的关系，是直接还是间接的关系，尚需进一步探索、研究。

太阳活动与人类的关系极为密切，除直接影响到地球大气层，使短波通讯中断之外还会影响宇宙飞船、人造卫星的设备或威胁到宇航员的生命。因此，从1965年开始，国际上已开始提前几天作出太阳爆发的预报。我国于1969年开始着手做实用的太阳活动中期预报，主要是为短波通讯和卫星发射工作服务。

国际无线电科联、国际天文联合会等机构组织了大规模的日地预报国际合作，从事太阳活动预报的研究与服务。总的中心设在美国波尔市，设在我国的中心称为北京中心。我国早在60年代就形成了太阳活动观测网与预报网，承担太阳活动的监测与预报任务。在科学技术现代化程度较高的国家中，这已经是一项不可缺少的日地研究与服务工作。我国已于1990年参加国际无线电科联，该组织是国际天文联合会和国际测地与地球物理学会成立的民间国际合作学术组织（IVWDS），北京是这个组织的区域性日地警报中心，称为RWC-北京。RWC-北京每天与IVWDS总部联系，做日地数据与预报信息交流，并以所获得的全球性日地数据与预测向我国用户和需要了解日地环境的单位提供服务。