太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球環(huán)境的影響

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1、太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球環(huán)境的影響 王家龍 孫靜蘭 ( 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) ,北京 100012) 摘要 太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球環(huán)境影響的研究至今已發(fā)展成一門(mén)涉及太陽(yáng)物理學(xué) 、空間物理 學(xué)和地球物理學(xué)的邊緣學(xué)科 ,它研究三者的關(guān)系及相互作用的過(guò)程 。本文將太陽(yáng)活動(dòng)分成緩 變型和爆發(fā)型兩類(lèi) ,分別介紹了它們的主要成員冕洞 、總輻射 、太陽(yáng)黑子 、太陽(yáng)耀斑和日冕物 質(zhì)拋射的性質(zhì)及特征 ;分別討論了這兩類(lèi)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境的影響 ,還指出了太陽(yáng)活動(dòng)對(duì) 固體地球的作用 。 主題詞 太陽(yáng)活動(dòng) 活動(dòng)的分類(lèi) 對(duì)地球環(huán)境的影響 引言 太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球環(huán)境影響的研究受到越來(lái)越大的重

2、視 ,主要是由于它與人類(lèi)的 生存環(huán)境和活動(dòng)有著廣泛和密切的關(guān)系1 ,2 。歐洲首先在 1611 年使用望遠(yuǎn)鏡觀察太陽(yáng)黑 子 ,開(kāi)始了近代太陽(yáng)物理的研究 。雖然 19 世紀(jì)初已經(jīng)有人認(rèn)為地面上的雨量與太陽(yáng)黑子 數(shù)的多少有關(guān) , 但是從研究意義上說(shuō) ,是 1843 年提出并于 1851 年得到確認(rèn)的太陽(yáng)黑子活 動(dòng)周期的發(fā)現(xiàn)3 ,里程碑性地開(kāi)始了近代太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球影響的探索 。這一發(fā)現(xiàn)使越來(lái) 越多的地球?qū)W家和太陽(yáng)物理學(xué)家把發(fā)生在地球的空間環(huán)境和大氣 、海洋中以至固體地球 本體的現(xiàn)象與太陽(yáng)現(xiàn)象作相關(guān)分析和解釋 ,試圖找到產(chǎn)生這些地球現(xiàn)象的太陽(yáng)因素 ?？?以說(shuō) ,近代太陽(yáng)活動(dòng)及其影響研

3、究經(jīng)過(guò) 100 多年的發(fā)展 ,已經(jīng)形成了一門(mén)跨越太陽(yáng)物理 學(xué) 、空間物理學(xué)和地球物理學(xué)的邊緣性大學(xué)科 。多學(xué)科的高度結(jié)合是它的一大特點(diǎn) ;由于 觀測(cè)點(diǎn)地理位置的差異 、人才與設(shè)施的優(yōu)勢(shì)差異以及空間觀測(cè)需巨額投資 ,研究組織上的 高度聯(lián)合和相互依賴(lài)是它的另一特點(diǎn) 。 1957 年記錄到了自 1755 年以來(lái)的最強(qiáng)的太陽(yáng)活動(dòng)高峰 ,同年 10 月前蘇聯(lián)發(fā)射了第 一顆人造地球衛(wèi)星 。在 20 世紀(jì) 50 年代中期至 60 年代初期 ,國(guó)際上相繼組織了兩次大規(guī) 模的聯(lián)合的太陽(yáng)活動(dòng)和地球物理現(xiàn)象的觀測(cè)及合作研究 。前者稱(chēng)為國(guó)際地球物理年 ( IGY) , 后者稱(chēng)為國(guó)際寧?kù)o太陽(yáng)年 ( IQSY) 。

4、最近 3 個(gè)太陽(yáng)周 ( 即峰年分別在 1979 年 、1989 年和 2000 年的第 21 ,22 和第 23 太陽(yáng)周) 中 ,國(guó)內(nèi)外在這個(gè)領(lǐng)域執(zhí)行的最突出的計(jì)劃是 80～90年代的“日地能量傳輸研究”4 和 90 年代中后期各國(guó)紛紛啟動(dòng)的“空間天氣戰(zhàn)略研 究”5 。這樣 ,至少在 70 年代初就提出的“空間天氣學(xué)”經(jīng)過(guò) 30 年的歷程 , 終于為國(guó)內(nèi) 1 第一作者簡(jiǎn)介 :王家龍 男 66 歲 研究員 太陽(yáng)活動(dòng)物理學(xué) 、日地關(guān)系學(xué)與太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)測(cè)專(zhuān)業(yè) E2mail :jialongw @btamcul . net . cn 國(guó)家自然科學(xué)基金 ( 批準(zhǔn)號(hào)

5、 :49990451) 資助重大項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金 ( 批準(zhǔn)號(hào) :10073013) 資助項(xiàng)目 2002 - 06 - 30 收稿 ,2002 - 08 - 18 收修改稿 3 3 外學(xué)者所接受 ,而演化成一門(mén)完整的以現(xiàn)代化的地基和空間實(shí)測(cè)及現(xiàn)代理論知識(shí)為基礎(chǔ) 的廣義的日地關(guān)系學(xué)或稱(chēng)為日地系統(tǒng)物理學(xué) 。它的主要內(nèi)容是研究日地系統(tǒng)中各層次的 動(dòng)力學(xué)過(guò)程和各層次間的耦合作用 。太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球環(huán)境的影響是它的重要組成部 分 。 本文的目的 ,是從日地關(guān)系的角度 ,簡(jiǎn)單地綜述近幾十年太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球影響的 研究進(jìn)展 ,取得的主要成果以及它面臨的難題 。 2 兩類(lèi)太陽(yáng)

6、活動(dòng) :緩變型和爆發(fā)型活動(dòng) 長(zhǎng)期的觀測(cè) ,特別是近 30 年來(lái)利用地基設(shè)備和空間飛行器對(duì)日地系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和分析 表明 ,太陽(yáng)活動(dòng)是引起地球環(huán)境變化和擾動(dòng)的主要源 。太陽(yáng)活動(dòng)是太陽(yáng)大氣中局部區(qū)域 的異?，F(xiàn)象 。這種異常是相對(duì)于太陽(yáng)表面大部分區(qū)域宏觀看起來(lái)表現(xiàn)為較長(zhǎng)時(shí)間保持寧 靜或變化不大的狀態(tài)而言的 ,并且有其自身的發(fā)生 、成長(zhǎng)和衰亡的過(guò)程 。我們可以依照太 陽(yáng)活動(dòng)的一個(gè)或一組參量來(lái)分類(lèi)太陽(yáng)活動(dòng) ,然而從引起環(huán)境變化的角度看 ,太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象 可依照其宏觀參量的變化率的低 、高被分為緩變型太陽(yáng)活動(dòng)和爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)兩類(lèi)6 。 了解這兩類(lèi)活動(dòng) ,是研究它們對(duì)地球影響的基礎(chǔ) 。 2.

7、1 緩變型太陽(yáng)活動(dòng) 太陽(yáng)大氣中的異常結(jié)構(gòu) ,如太陽(yáng)黑子群 、光斑 、譜斑 、寧?kù)o日珥 、日冕寧凝區(qū)和冕洞等 都?xì)w屬于緩變型太陽(yáng)活動(dòng) 。這些活動(dòng)現(xiàn)象在幾何尺度上 、位置上或能量方面的變化速度 相對(duì)于爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)而言具有緩慢的變化率 。例如 ,1989 年 3 月日面上的一個(gè)罕見(jiàn)大 黑子群 ,在 3 月 13 日時(shí)其面積約為 3 620 單位 (1 個(gè)單位 = 3 . 04 106 km2 ) ,即使這群黑子 的總面積在剛從日面東邊緣轉(zhuǎn)出來(lái)時(shí)為零 ,它的面積的增長(zhǎng)率也不過(guò)為 22 單位Πd 。然 而 ,一個(gè)中等的爆發(fā)型活動(dòng) ,例如 ,一個(gè)二級(jí)的光學(xué)耀斑 ,它在脈沖相的面積增長(zhǎng)率約可快

8、到 6 103 單位Πd ,遠(yuǎn)比緩變型活動(dòng)快得多 。 從對(duì)地球的影響出發(fā) ,在研究緩變型太陽(yáng)活動(dòng)時(shí) ,時(shí)常采取 3 種方式進(jìn)行 : 1) 對(duì)某種 具體的緩變型活動(dòng) ,考察它的對(duì)地效應(yīng) 。例如 ,冕洞是一種對(duì)地球環(huán)境有重要影響的緩變 型活動(dòng) ,常對(duì)它作這種研究 。2) 選用一個(gè)指標(biāo)對(duì)所有緩變型活動(dòng)的效應(yīng)進(jìn)行集體的或稱(chēng) 為半球面的考察 ,太陽(yáng)總輻射就是這樣一個(gè)指標(biāo) 。3) 對(duì)某種有代表性的易觀測(cè)的緩變型 活動(dòng)現(xiàn)象 ,進(jìn)行個(gè)體或群以及半球面指標(biāo)性的考察 ,例如太陽(yáng)黑子和太陽(yáng)黑子數(shù) ( 亦稱(chēng)太 陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)或 Wolf 數(shù)) 可算是一個(gè)典型 。本文不一一涉及各種緩變型太陽(yáng)活動(dòng) ,僅對(duì) 前述

9、 3 種情況本身的性質(zhì)作簡(jiǎn)短介紹 。 2. 1. 1 冕洞 太陽(yáng)冕洞發(fā)現(xiàn)于 20 世紀(jì) 50 年代 ,是指用某些波段或白光在太陽(yáng)外層大氣 ———日冕 中觀測(cè)到的暗區(qū) ,屬于日冕中常見(jiàn)的大尺度結(jié)構(gòu)7 ,也定義為在軟 X 射線波段觀測(cè)到的 日面暗結(jié)構(gòu)8 。用日冕儀 、射電日像儀或在日全食期間用小型天文望遠(yuǎn)鏡可在地上觀測(cè) 到冕洞 。冕洞是日冕中低亮度 、低密度區(qū) (密度比周?chē)鷮庫(kù)o日冕區(qū)低 2～3 倍) 。冕洞的溫 度略低于或接近周?chē)臏囟?,約為 1 . 5 106 ～2 . 4 106 K ,同時(shí)冕洞的溫度梯度比寧?kù)o日 冕區(qū)低很多 。起源于太陽(yáng)的磁場(chǎng)在冕洞區(qū)內(nèi) ,

10、主要表現(xiàn)為開(kāi)放型 ,即磁力線經(jīng)冕洞向外延 第 四 紀(jì) 研 究 2 0 0 2 年 512 伸進(jìn)入行星際空間 。但是觀測(cè)表明 ,冕洞區(qū)下面的太陽(yáng)光球處的磁場(chǎng)是某種極性 (N 或 S) 的磁流占絕對(duì)優(yōu)勢(shì) ,另一極性磁流并非絕對(duì)不存在 ,因此并非完全的單一極性 。冕洞隨 太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作近乎剛性的轉(zhuǎn)動(dòng) 。 冕洞的壽命較長(zhǎng) , 一般可存在幾個(gè)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周或更長(zhǎng) 。它的面積的平均變化率為 (1 . 5 0 . 5) 104 km2 Πs 。冕洞依其在日面上的位置可分為中緯冕洞和極區(qū)冕洞 ,后者可 以擴(kuò)展占據(jù)日面相當(dāng)大的部分 ,甚至可以從太陽(yáng)的一個(gè)極區(qū)向低緯發(fā)展越過(guò)赤道進(jìn)入另 一

11、個(gè)半球 。日面上中緯冕洞的數(shù)目在一個(gè)太陽(yáng)周中隨太陽(yáng)黑子數(shù)的變化成正比關(guān)系 。極 區(qū)冕洞的數(shù)目則與黑子數(shù)的變化成反比關(guān)系 。 冕洞物理中還有不少問(wèn)題尚未解決 。例如 ,實(shí)測(cè)上 ,冕洞磁場(chǎng)缺乏精確的測(cè)量 ,這是 由于密度低 、溫度高 ,光譜線暗且彌散很寬 ,很難利用 Zeeman 效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng) ;理論上 ,至今缺 乏對(duì)冕洞近剛性隨太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的解釋9 。冕洞的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)是由模型研究得到的 。冕洞處有 物質(zhì)高速流向行星際空間 ,主要是由地球附近的太陽(yáng)風(fēng)觀測(cè) ,在一定假設(shè)下推導(dǎo)而得到 的10 。 2. 1. 2 總輻射 太陽(yáng)的總輻射功率被定義為太陽(yáng)常量 。總輻射的意義是包括太陽(yáng)上一切

12、寧?kù)o或活動(dòng) 結(jié)構(gòu)輻射出的電磁波 、粒子流 、中微子以及各種其它波動(dòng) 。但是實(shí)際上電磁波輻射占據(jù)了 總輻射的大部分 ,其它成分所含的能量要比電磁波的能量小 5 個(gè)數(shù)量級(jí)或更多 ,在現(xiàn)在的 測(cè)量條件下 ,太陽(yáng)常量實(shí)際上近似等于太陽(yáng)的總電磁輻射11 。稱(chēng)為太陽(yáng)常量是因?yàn)?20 世紀(jì) 50 年代以前的長(zhǎng)期測(cè)量由于誤差～1 %而未發(fā)現(xiàn)其隨時(shí)間的變化12 。太陽(yáng)的總輻 射及其變化從一個(gè)方面代表了太陽(yáng)的總狀態(tài)及其變化 ,這種變化被太陽(yáng)常量的變化所體 現(xiàn) 。當(dāng)僅研究太陽(yáng)常量的幾天至百年的變化時(shí) ,就略去了太陽(yáng)的短周期振蕩 (如 5 分鐘振 蕩) 、爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)以及長(zhǎng)期的太陽(yáng)整體演化對(duì)太

13、陽(yáng)常量的影響 ,而只剩下包含有緩變 型太陽(yáng)活動(dòng)導(dǎo)致的太陽(yáng)電磁輻射的變化 。 據(jù) SMM 衛(wèi)星13 在空間測(cè)量的太陽(yáng)常量 ,其值為 (1 367 2) WΠm2 ,意為在距太陽(yáng)一個(gè) 日地平均距離 (記為 1AU) 處 ,地球大氣之外垂直于太陽(yáng)光線的單位面積 (1 m2 ) 上 ,單位時(shí) 間 (1 s) 內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射能量 (J ) 。太陽(yáng)總輻射中主要能量在可見(jiàn)光波段 ,約有 99 %的 能量集中在 276～496 nm 波段 ,其中 495 nm 波長(zhǎng)處具有可見(jiàn)光的最強(qiáng)輻射強(qiáng)度 。99 . 9 % 的能量分布于 217～10 940 nm 波段 。紫外波段與射電波段 (即無(wú)線電波

14、段) 在太陽(yáng)常量中 占比例很小 ,但是它們的變化幅度很大 ,曾測(cè)得 1961～1968 年 23～127 nm 的紫外輻射有 50 %的變化 。 SMM 和 NIMBUS 等衛(wèi)星自 1979 年連續(xù)作了太陽(yáng)常量的空間觀測(cè) 。由測(cè)量可知太陽(yáng) 常量并不是不變的 ,例如 ,1979～1986 年平均每年減小約 0 . 03 % 。 2. 1. 3 太陽(yáng)黑子 太陽(yáng)黑子是最容易觀測(cè)到的緩變的太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象 ,它是太陽(yáng)光球中局部的低溫 、強(qiáng)磁 場(chǎng)區(qū)域 ,而光球是指太陽(yáng)大氣的低層 ,也就是用肉眼直接看到的光亮的太陽(yáng) 。黑子的線度 從 1 000 公里左右直到幾萬(wàn)公里以上 。在較大黑子的照片上

15、,容易看出黑子中心有一暗 黑核狀部分 ,稱(chēng)為本影 ,本影與四周光球之間由亮暗纖維組成的過(guò)渡部分稱(chēng)為黑子的半 影11 。 黑子 本 影 的 等 效 溫 度 約 為 4 200 K , 半 影 溫 度 約 為 5 700 K , 低 于 光 球 的 等 效 溫 度 6 000 K。磁場(chǎng)觀測(cè)表明 ,黑子的磁力線具有喇叭口狀的分布 ?？梢杂媒?jīng)驗(yàn)公式 (1) 表示黑 14 子中最強(qiáng)的磁場(chǎng) B m 與黑子的面積 S 的關(guān)系 S (1) B m = 3 700 S + 60 式中 B m ———以高斯為單位 S ———以太陽(yáng)半球面的 10 - 6

16、 為單位 此外還觀測(cè)到黑子中有物質(zhì)流動(dòng) ,流動(dòng)方向從黑子中心向外稱(chēng) Evershed 效應(yīng) ,反之稱(chēng) 為逆 Evershed 流動(dòng) 。 黑子的壽命長(zhǎng)短不一 ,大多數(shù)黑子存在時(shí)間為幾天 ,有的大黑子壽命長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月 。黑 子多為成群出現(xiàn) ,每群最多可含幾十個(gè)大小不等的黑子 。黑子在物理上常被視為具有磁 力線組成的磁流管狀結(jié)構(gòu) ,它們?cè)谔?yáng)表層之下受到磁浮力即可上浮 ,從光球底層向上穿 出光球表面而形成一對(duì)磁極性相反的偶極黑子群 。 黑子在日面上的出現(xiàn)有明顯的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性 : 1) 太陽(yáng)黑子數(shù)目的多少隨時(shí)間的變化具 有周期性 ,最明顯的周期長(zhǎng)度為 11a 左右 ,還有 80a 或更長(zhǎng)些的周期

17、 。11a 左右的周期稱(chēng) 為太陽(yáng)活動(dòng)周 、太陽(yáng)黑子周或簡(jiǎn)稱(chēng)太陽(yáng)周 。2) 每一個(gè)太陽(yáng)周從黑子數(shù)的一個(gè)極小開(kāi)始 , 這時(shí)大多數(shù)黑子出現(xiàn)在日面高緯區(qū) (30或更多) 。隨著黑子數(shù)的增加 ,黑子群的平均緯度 逐漸向低緯度變化 ,到太陽(yáng)周的高峰期 (黑子數(shù)最多的時(shí)期) 平均緯度約為 15,到活動(dòng)周 結(jié)束時(shí)約為 8,而且在一個(gè)周期還沒(méi)有完全結(jié)束前 ,屬于下一個(gè)周期的新黑子已經(jīng)在高緯 度處出現(xiàn) 。3) 太陽(yáng)南北兩半球上占大多數(shù)的典型偶極黑子群的磁極性分布是相反的 ,這 種相反的磁極性在相鄰兩個(gè)周期間又是相反的 ,因此也就出現(xiàn)比 11a 太陽(yáng)黑子周長(zhǎng)一倍 的 22a 太陽(yáng)磁活動(dòng)周期 。 現(xiàn)在國(guó)際上

18、使用的太陽(yáng)黑子數(shù)并非簡(jiǎn)單的計(jì)算黑子數(shù)目 ,而是以公式 (2) 定義的 R = K(10 g + f ) R ———黑子相對(duì)數(shù)或 Wolf 數(shù) ,也簡(jiǎn)稱(chēng)為黑子數(shù) g 和 f ———分別表示測(cè)量時(shí)可見(jiàn)日面上的黑子群數(shù)目和黑子的數(shù)目 K ———換算因子 (2) 式中 規(guī)定瑞士 Zrich 天文臺(tái)的 K 值為 1 ,由他們每天公布一個(gè)國(guó)際黑子數(shù)值 R 。 黑子群雖屬緩變型活動(dòng) ,但是典型的較大黑子群附近經(jīng)常有其它種緩變型及爆發(fā)型 活動(dòng)出現(xiàn) ,彼此關(guān)系密切 。事實(shí)上 ,以黑子群為核心會(huì)形成一個(gè)三維的立體活動(dòng)區(qū)域 ,該 區(qū)域在磁場(chǎng)和流場(chǎng)的作用下不斷演化 ,當(dāng)其所含能量超過(guò)一定閾值時(shí)就

19、可能有爆發(fā)發(fā)生 , 磁場(chǎng) 、流場(chǎng)也隨之變化調(diào)整 。隨著爆發(fā)現(xiàn)象的衰亡 ,該區(qū)域的磁場(chǎng) 、流場(chǎng)又會(huì)有一定程度 的恢復(fù)或完全趨于平靜狀態(tài) 。因此 ,太陽(yáng)黑子群數(shù)和個(gè)數(shù)通過(guò)公式 (2) 合成的黑子數(shù) R 被廣泛使用 ,作為反映太陽(yáng)緩變型和爆發(fā)型活動(dòng)的總水平的指標(biāo) ,以研究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球 環(huán)境的影響 。 2. 2 爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng) 在爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)中 ,太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射是兩種影響地球環(huán)境的重要擾動(dòng)源 。 第 四 紀(jì) 研 究 2 0 0 2 年 514 20 世紀(jì) 60 年代后 ,空間觀測(cè)的大規(guī)模開(kāi)展給爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)的研究打開(kāi)了新局面 。1973 年發(fā)射的 S

20、kylab 太空站第一次獲得了大量日冕物質(zhì)拋射的資料 ,在軟 X 射線波段發(fā)現(xiàn)耀 斑的基本結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)環(huán)弧狀 。加上射電頻譜儀和二維射電日像儀的使用 ,對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)和行 星際擾動(dòng)研究方面有很大改善 。第 21 太陽(yáng)周峰年附近 (1980～1981 年) SMM , Hinotori 15 和 P78 - 1 等衛(wèi)星的空間觀測(cè) ,大大推進(jìn)了太陽(yáng)爆發(fā)的高能輻射和非熱輻射的研究 。80 年代 后期 ,我國(guó)太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡正式運(yùn)轉(zhuǎn) ,獲得了太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)的諸多數(shù)據(jù) 。90 年代初 ,在 第 22 太陽(yáng)周峰后期 (1991 年) 發(fā)射了 Yohkoh16 太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星 ,主要在軟 、硬 X 射

21、線波段觀 測(cè)活動(dòng)區(qū)和太陽(yáng)耀斑的二維象和能譜 。發(fā)現(xiàn)了 X 射線的日冕物質(zhì)拋射以及磁重聯(lián)現(xiàn)象 。 1992 年 ,又把一座工作波段為 17 GHz 的射電日象儀投入觀測(cè) 。90 年代中后期 , SOHO 衛(wèi) 星17 成功地對(duì)太陽(yáng)作了大量的各波段及白光的日冕觀測(cè) 。這些多波段高分辨的對(duì)日觀 測(cè)和激波及粒子流的行星際觀測(cè)極大地影響了我們對(duì)日冕物質(zhì)拋射和太陽(yáng)耀斑在影響地 球方面的看法 。 2. 2. 1 太陽(yáng)耀斑 太陽(yáng)耀斑的一般性質(zhì) 太陽(yáng)耀斑是太陽(yáng)大氣中局部區(qū)域的劇烈爆發(fā)現(xiàn)象 ,在日地關(guān)系研究中占有重要地位 。 一個(gè)大耀斑所釋放的能量中 ,電磁輻射占 1Π4 ,粒子動(dòng)能約占 3Π4

22、。一個(gè)面積為太陽(yáng)表面積 的二千分之一的大耀斑在 103 s 的壽命中可釋放能量 4 1032 erg1) ,每分鐘約輻射 3 1030 erg1) ,與太陽(yáng)的總輻射率相比僅是十萬(wàn)分之一左右 。典型太陽(yáng)耀斑是一個(gè)起源于低日冕 或高色球?qū)泳植繀^(qū)的 、向下貫穿到色球底乃至光球 、向上貫穿日冕的三維爆發(fā)和能量轉(zhuǎn)換 的過(guò)程18 。 典型太陽(yáng)耀斑的儲(chǔ)能過(guò)程在太陽(yáng)耀斑爆發(fā)之前 1～2 天明顯開(kāi)始 ,儲(chǔ)能可以通過(guò)磁場(chǎng) 的剪切 、擠壓或扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn) ,也可以通過(guò)磁流浮現(xiàn)而實(shí)現(xiàn) ?，F(xiàn)在普遍的看法是 ,無(wú)力場(chǎng)位形 的磁場(chǎng)所具有的磁能與勢(shì)場(chǎng)位形的能量之差提供了太陽(yáng)耀斑的能源 。無(wú)力場(chǎng)能量的增

23、加 體現(xiàn)為無(wú)力因子 α的變化 ,它可以表示為下式19 5 α 1 = V-* ( V-* B-*) B-* (3) B 2 5 t B-* ———磁場(chǎng)強(qiáng)度 V-* ———運(yùn)動(dòng)速度 若取 V-* 的 3 個(gè)分量 -*u , 4v 和 w-* 分別平行于日面上磁場(chǎng)縱向分量的極性反轉(zhuǎn)線 (也稱(chēng)中 性線) 、垂直于中性線且平行于日面 、垂直于中性線也垂直于日面 ,則 -*u , 4v 和 w-* 運(yùn)動(dòng)就分 別體現(xiàn)了剪切 、擠壓和浮現(xiàn) 3 種機(jī)制導(dǎo)致的儲(chǔ)能 。王家龍等20 曾用 Tucker 公式估計(jì)由于 1986 年大耀斑活動(dòng)區(qū)中黑子群旋轉(zhuǎn)所引起的活動(dòng)區(qū)含能的增加

24、,結(jié)果表明盡管 Alfven 波 可以把大部分能量帶走 ,但扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的能量的幾分之一到幾十分之一即足以供大 、小耀 斑所需 。 太陽(yáng)耀斑的爆發(fā)相主要表現(xiàn)為各波段輻射幾乎同時(shí)的增強(qiáng) ,具有γ 射線輻射的太陽(yáng) 耀斑在 2 . 22 MeV 和 0 . 51 MeV 的輻射相對(duì)于其它波段有遲至現(xiàn)象 。各波段的輻射流量到 式中 1) 1erg = 10 - 7J 達(dá)峰值的時(shí)間不一定相同 ,?？捎^測(cè)到高能硬 X 射線輻射的流量峰遲于低能的流量峰 , 低頻微波輻射的流量峰遲于高頻微波的峰 。這似乎可用產(chǎn)生高能硬 X 射線輻射的粒子需 要更多的加速時(shí)間以及爆發(fā)的最初位置在較強(qiáng)

25、磁場(chǎng)處來(lái)解釋 。應(yīng)該提到的是第 21 太陽(yáng) 活動(dòng)周峰期已經(jīng)測(cè)到了太陽(yáng)耀斑發(fā)射的中子 ( 能量 1 GeV) ,太陽(yáng)耀斑的中子流到達(dá)地球 的時(shí)間遲于太陽(yáng)耀斑的開(kāi)始時(shí)間幾分鐘到約 20 分鐘21 。 分析太陽(yáng)耀斑的 Hα 單色光記錄 ,可知在太陽(yáng)耀斑的爆發(fā)相其亮斑面積迅速增長(zhǎng) ,在 微波輻射流量峰期其面積增長(zhǎng)最快 ,而面積達(dá)到極大值的時(shí)間比微波輻射峰遲 ,最遲可達(dá) 幾十分鐘22 ,23 。 人造衛(wèi)星對(duì)太陽(yáng)耀斑的觀測(cè)揭示了太陽(yáng)耀斑的基本空間結(jié)構(gòu)是兩端與日面相交的立 于太陽(yáng)大氣中的磁弧 。但在磁弧內(nèi)軟 、硬 X 輻射源的核可有不同的分布 。 太陽(yáng)耀斑的統(tǒng)計(jì)性質(zhì) 太陽(yáng)耀斑的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)

26、主要是 :1) 太陽(yáng)耀斑的總數(shù)也有與黑子數(shù)同步的 11a 左右的周 期 ;2) 大耀斑產(chǎn)率的峰期在太陽(yáng)周中的時(shí)間位置往往遲于黑子數(shù)或小耀斑的峰期 ,在太陽(yáng) 周的谷期仍有可能產(chǎn)生大爆發(fā)24 ;3) 太陽(yáng)γ射線爆發(fā) 、射電爆發(fā) 、硬 X 射線爆發(fā)以及光學(xué) 耀斑的產(chǎn)率具有 154d 左右的周期變化25 ;4) 大耀斑具有群居性 ,少量的活動(dòng)區(qū)具有多次 產(chǎn)生大爆發(fā)的能力 ;5) 太陽(yáng)耀斑的出現(xiàn)頻數(shù)對(duì)太陽(yáng)耀斑參量的分布服從冪律定律26 ～28 。 2. 2. 2 日冕物質(zhì)拋射 日冕物質(zhì)拋射是日冕物質(zhì)在較短的時(shí)間內(nèi)被大規(guī)模逐離太陽(yáng) ,當(dāng)它們的速度大于逃 逸速度時(shí) ,

27、就飛入行星際空間的一種太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象 。日冕物質(zhì)拋射過(guò)程 ,在開(kāi)始階段以日 冕為背景 ,然后以太陽(yáng)的連續(xù)微粒輻射 ———太陽(yáng)風(fēng)為背景 ,在太陽(yáng)風(fēng)中運(yùn)行引起太陽(yáng)風(fēng)擾 動(dòng)和地球環(huán)境擾動(dòng) 。 大量的觀測(cè)表明 ,較多的日冕物質(zhì)拋射雖然具有簡(jiǎn)單的弧狀外形 ,但其本身有明顯的 三重結(jié)構(gòu) 。即明亮的高密度外環(huán) ,外環(huán)下面的暗黑部分是低密度空穴 ,再下面是環(huán)狀或燭 頭狀內(nèi)核 。 日冕物質(zhì)拋射在日冕中的性質(zhì) 在日冕中日冕物質(zhì)拋射有以下幾個(gè)性質(zhì) : 1) 一次拋射的質(zhì)量為 1014 ～1016 g , 平均為 1015 g ;2) 尺度一般都比太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)大很多 ,它對(duì)日心的張角平均為 45,有的跨度達(dá) 2

28、70之 巨 ;3) 中心位置的根均方平均為 35,中心的緯度分布與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān) ,在太陽(yáng)活動(dòng)峰期可 擴(kuò)展到較高緯度 ,低年則集中于赤道附近 ;4) 運(yùn)動(dòng)速度可低到 7 kmΠs ,高到 2 101 kmΠs , 大 部分速度范圍為 35～911 kmΠs ,平均速度為 349 kmΠs ,實(shí)際上一個(gè)拋射物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 內(nèi)部不斷變化 ,各個(gè)部分具有不同的速度 , 總的說(shuō) , 平均速度隨太陽(yáng)周的變化大約是從 200 kmΠs (極小期) 到 350～450 kmΠs (極大期) ,隨日面緯度無(wú)顯著變化 ,有的拋射作勻速運(yùn) 動(dòng) ,有的作加速運(yùn)動(dòng) ;5) 一次拋射的能量范圍是 1029 ～

29、1033 erg1) ; 6) 拋射的產(chǎn)率與 11a 的太 陽(yáng)周的位相有關(guān) ,太陽(yáng)活動(dòng)極小期大約是 0 . 2～0 . 8 個(gè)Πd ,太陽(yáng)活動(dòng)極大期約是3 . 5 個(gè)Πd , 從極小期到極大期產(chǎn)率可變化一個(gè)數(shù)量級(jí) ;7) 大約 4Π10 的拋射有太陽(yáng)耀斑相伴 ,約7Π10的 拋射 有 相 應(yīng) 的 爆 發(fā) 日 珥 或 暗 條 消 失 相 伴 , 約 3Π10 甚 至 更 多 的 拋 射 無(wú) 日 面 活 動(dòng) 1) 1erg = 10 - 7J 第 四 紀(jì) 研 究 2 0 0 2 年 516 現(xiàn)象 (太陽(yáng)耀斑或爆發(fā)日珥 、暗條消失) 相伴 ,相伴的 X 射線爆發(fā)的

30、壽命與日冕物質(zhì)拋射 的關(guān)系更密切 ,但是能量大的快拋射全是有太陽(yáng)耀斑相伴的 ;8) 有太陽(yáng)耀斑相伴的拋射一 般作勻速運(yùn)動(dòng) ,速度較高 ,而僅有爆發(fā)日珥相伴的拋射一般作勻加速運(yùn)動(dòng) ,速度較低 ;9) 由 拋射的時(shí)間 ———高度測(cè)量圖外推出的它在太陽(yáng)色球的時(shí)間 ,總是比其相伴的太陽(yáng)耀斑開(kāi) 始的時(shí)間早 ,而且太陽(yáng)耀斑常常是在拋射物拱形之下的一側(cè) ,并不位于拱形下面的中央 ; 10) 統(tǒng)計(jì)上 41 %的拋射伴有米波射電 Ⅱ型爆發(fā) ,其運(yùn)動(dòng)速度為 > 400 kmΠs ,且伴有長(zhǎng)壽命 ( 平均 3 小時(shí)) 的軟 X 射線事件及行星際激波 ,100 % 的長(zhǎng)壽命 ( > 6 小時(shí)) 軟 X 爆發(fā)與日冕

31、 物質(zhì)拋射相關(guān) ;11) 30 %的拋射無(wú)米波射電 Ⅱ型爆相伴 ,它們有相關(guān)的短壽命 ( < 0 . 5小時(shí)) 軟 X 射線爆發(fā)發(fā)生 ,但無(wú)行星際激波 ; 12) 在拋射發(fā)生之前 ,在將要出現(xiàn)軟 X 射線爆發(fā)的 位置附近或大拱附近 ,該處的彌漫狀日冕出現(xiàn)像小冕洞一樣的軟 X 射線輻射減弱區(qū) ,在 拋射發(fā)生時(shí)觀測(cè)到大的軟 X 射線拱狀結(jié)構(gòu) ;13) 拋射不是產(chǎn)生于磁場(chǎng)開(kāi)放區(qū) ———冕洞 ,而 是80 %的起始于冕流結(jié)構(gòu) ,拋射的緯度分布更近于暗條 ( 或日珥) 的分布 ,而不是黑子群 、 太陽(yáng)耀斑或活動(dòng)區(qū)的緯度分布 ;14) 用紫外線在日冕物質(zhì)拋射下面低日冕層可觀測(cè)到與其 相對(duì)應(yīng)變暗區(qū)

32、域 。 日冕物質(zhì)拋射在行星際的實(shí)測(cè)特征 日冕物質(zhì)拋射離開(kāi)太陽(yáng)后 ,在行星際背景太陽(yáng)風(fēng)中運(yùn)動(dòng) ,由于它是磁化等離子體 ,必 然引起太陽(yáng)風(fēng)在磁場(chǎng) 、密度 、成分等方面的擾動(dòng) ,特別是較快運(yùn)動(dòng)的拋射會(huì)導(dǎo)致行星際激 波的出現(xiàn) ,概括地說(shuō) ,它們?cè)谛行请H的特征是29 ,30 :1) 行星際激波 ;2) He 豐度的增長(zhǎng) ;3) 異 常低的電離態(tài) (如 He + ) ;4) 密度的增長(zhǎng) (約幾分鐘到 5 小時(shí)) ,然后是密度與溫度的長(zhǎng)時(shí)間 下降 (約 5 小時(shí)到幾十小時(shí)) ;5) 磁云 ( 強(qiáng)磁場(chǎng) ,磁場(chǎng)方向的旋轉(zhuǎn)) 的出現(xiàn) ; 6) 雙向的電子暈 流動(dòng) ;7) 雙向的低能質(zhì)子流動(dòng) ;

33、 8) 拋射物飛離太陽(yáng)越遠(yuǎn)在徑向拉開(kāi)的越長(zhǎng) ,在 1AU 附近 , 平均徑向長(zhǎng)為 0 . 2AU ,在 5AU 附近有的在徑向方向長(zhǎng)達(dá) 2 . 5AU ,有的有斷開(kāi)的現(xiàn)象 。 3 太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境的影響 3. 1 緩變型太陽(yáng)活動(dòng)的影響 3. 1. 1 冕洞的影響 冕洞對(duì)地球的影響主要在于磁場(chǎng)擾動(dòng)和粒子場(chǎng)方面31 。早在 20 世紀(jì) 50 年代就發(fā) 現(xiàn) ,當(dāng)在太陽(yáng)東邊緣某個(gè)區(qū)域觀測(cè)到日冕的 Fe ⅩⅣ 輻射出現(xiàn)極小之后幾天 ,地磁擾動(dòng)就 會(huì)出現(xiàn)峰 。于是冕洞這個(gè)現(xiàn)象就代替了 50 年代以前曾假設(shè)日面上有“M 區(qū)”產(chǎn)生地磁擾 動(dòng)的說(shuō)法 。當(dāng)用溫度 T ≤6 106 K 的譜

34、線觀測(cè)時(shí) ,就看不到這種低輻射的區(qū)域 ,從而證明 它是日冕中的結(jié)構(gòu) 。在冕洞二維像的大量觀測(cè)基礎(chǔ)上 ,70 年代認(rèn)證出冕洞是相當(dāng)持久的 高速太陽(yáng)風(fēng)的源32 。冕洞隨著太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)作剛性轉(zhuǎn)動(dòng)就使得這種太陽(yáng)風(fēng)中的高速流在 行星際空間周期性的掃過(guò) 。于是發(fā)現(xiàn)了地球附近的太陽(yáng)風(fēng)速度以及地磁擾動(dòng)的指數(shù)等有 受冕洞控制的 27d 的周期性變化 。80 年代中期從 3 000 個(gè)地磁擾動(dòng)事件中認(rèn)證出 500 個(gè) 33 AP 指數(shù)在 12～36 之間的事件是由冕洞引起 。冕洞高速流的速度平均為 580 kmΠs ,大冕 洞則對(duì)應(yīng)于地球附近 700 kmΠs 的高速太陽(yáng)風(fēng) 。用 184 個(gè)

35、He Ⅰ的冕洞作統(tǒng)計(jì) ,它們對(duì)地球 上無(wú)磁暴 、小磁暴和大磁暴事件的產(chǎn)率分別為 75 % ,25 % 和 15 % 。 來(lái)自冕洞的高速流與地球磁層相遇時(shí) ,流中的一部分荷電粒子就可能被磁場(chǎng)俘獲暫 時(shí)儲(chǔ)存于地磁場(chǎng)中 ,使地球輻射帶中的電子密度增加 。其中能量 > 2MeV 的電子就形成對(duì) 空間飛行器運(yùn)行的安全 。上世紀(jì) 90 年代中期 ,在無(wú)任何爆發(fā)性太陽(yáng)活動(dòng)的背景下 ,加拿 大兩顆衛(wèi)星發(fā)生了一星失蹤一星失控的事故 ,分析認(rèn)為是冕洞出現(xiàn) ,導(dǎo)致衛(wèi)星在輻射帶吸 附過(guò)多 ≥2MeV 的電子 ,產(chǎn)生靜電放電所致 。 通過(guò)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)物理參量等的時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì) ,發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)有兩種性質(zhì)不同的太陽(yáng)

36、周 變化34 。一種是冕洞周變化 ,主要決定著太陽(yáng)風(fēng)的質(zhì)量 、動(dòng)能和熱能的輸出 ;另一種是黑 子周的變化 ,主要決定著磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的控制作用 。因此 ,冕洞對(duì)地球影響的研究應(yīng)著注 前者 。冕洞中太陽(yáng)風(fēng)高速流的產(chǎn)生或加速問(wèn)題是尚待解決的課題 。 3. 1. 2 太陽(yáng)總輻射的影響 據(jù) 2 . 1 . 2 節(jié)所述 ,已知太陽(yáng)總輻射的對(duì)地球影響實(shí)際上就是太陽(yáng)總的電磁輻射的對(duì) 地影響 。研究表明 ,氣候系統(tǒng)從太陽(yáng)總輻射中吸收的能量大約為 240 WΠm2 。J . R. Herman 等1 指出 ,太陽(yáng)總輻射量變化 1 % ,就會(huì)對(duì)地球大氣產(chǎn)生巨大影響 ,使氣溫有 > 1 K 的變化

37、。 太陽(yáng)輻射的變化可以影響地球大氣的壓力 ,可以改變地球表面冰層的大小 ,從而影響氣 候 。若太陽(yáng)輻射改變 0 . 1 %～0 . 3 % ,地球上氣壓的變化就能達(dá)到可測(cè)量的程度 。若每個(gè) 世紀(jì)太陽(yáng)輻射有 0 . 5 %的系統(tǒng)變化 ,就可以解釋以前發(fā)生的種種氣候變化 。在 2 . 1 . 2 節(jié)已 提到 ,現(xiàn)代的空間測(cè)量 ,已知 1979～1986 年總輻射的變化為平均每年約 0 . 03 % ,還需要更 長(zhǎng)時(shí)期的測(cè)量才能得知它的世紀(jì)變化 。 與此同時(shí) ,在 1980 年還測(cè)量到 11 次短時(shí)間的太陽(yáng)輻射降低35 ,其降低幅度比年均變 化幅度約大一個(gè)數(shù)量級(jí) 。SOHO 衛(wèi)星

38、 1996～2000 年也觀測(cè)到幾次較大的短時(shí)間的太陽(yáng)輻 射下降 。例如 ,在 2000 年 4 月底至 5 月初之間觀測(cè)到一次下降 ,最大幅度約為 0 . 18 % ;在 同年 9 月觀測(cè)到另一次 ,降幅約為 0 . 22 % 。已經(jīng)知道 ,這些下降可能與大黑子群經(jīng)過(guò)日 面有關(guān) ,這些下降對(duì)地球大氣層的影響可能會(huì)是不可忽略的 。因此 ,繼續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)和相關(guān) 分析 ,同時(shí)探討相關(guān)的理論工作 ,應(yīng)該是開(kāi)展這方面研究的合適措施 。 3. 1. 3 太陽(yáng)黑子活動(dòng)的影響 相關(guān)分析顯示 ,黑子活動(dòng)對(duì)地球氣候 、水文的變化會(huì)有一定的調(diào)制作用 ,這種作用或 影響有時(shí)間特性和區(qū)域特性 。時(shí)間特性表現(xiàn)

39、為 ,在不同時(shí)段調(diào)制作用不同 。例如 ,有一段 時(shí)間非洲維多利亞湖的水位與黑子數(shù)的多少成正相關(guān) ;另一段時(shí)間無(wú)關(guān) ,再一段時(shí)間則為 負(fù)相關(guān) 。而區(qū)域特性表現(xiàn)為 ,地球上不同的區(qū)域在同一時(shí)段里受到的調(diào)制效果不同 。例 如 ,地球上的不同區(qū)域 ,如赤道和中緯區(qū)的雨量在同一時(shí)期里與太陽(yáng)黑子數(shù)的峰谷變化有 不同的關(guān)系 。與此類(lèi)似 ,氣溫與黑子數(shù)的關(guān)系也有這種表現(xiàn)36 。 這類(lèi)分析還發(fā)現(xiàn) ,太陽(yáng)黑子數(shù)的 11a 周期活動(dòng)對(duì)我國(guó)夏季溫度有明顯影響 ,溫度在 11a 周期中有雙波動(dòng) ;渤海的冰情變化與太陽(yáng)黑子 11a 周期活動(dòng)一致 ; 1889～1985 年長(zhǎng)江 中下游地區(qū)大面積旱澇年存在 2

40、2a 和 11a 重現(xiàn)周期 ; 1950～1990 年的 40 年間 ,10 個(gè)厄爾 尼諾年中有 5 個(gè)發(fā)生在太陽(yáng)黑子活動(dòng)相對(duì)高值期 ( 黑子數(shù)年均值 ≥66) ,有 5 個(gè)在低值期 (黑子數(shù)年均值 ≤2837 ) ;森林火災(zāi)年際活動(dòng)水平受太陽(yáng)黑子活動(dòng)影響38 ; 地球的宇宙線 環(huán)境受太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)制 ,體現(xiàn)在地面上接受到的銀河系宇宙線強(qiáng)度與黑子數(shù)反比的變化 ,在 黑子數(shù)極大期間宇宙線強(qiáng)度為極小 ,而太陽(yáng)粒子輻射為極大 。太陽(yáng)大黑子群出現(xiàn)時(shí)會(huì)遮 第 四 紀(jì) 研 究 2 0 0 2 年 518 擋部分輻射 ,使總輻射值發(fā)生短時(shí)間降低39 ,從而影響地球

41、環(huán)境 。 盡管至今太陽(yáng)黑子數(shù)仍在日地關(guān)系研究中被當(dāng)作最重要的表示太陽(yáng)活動(dòng)水平的指 標(biāo)40 ,但是由于它缺乏物理意義等弱點(diǎn) ,太陽(yáng)在頻率 2 800 MHz 的流量密度 、太陽(yáng)黑子總 面積和總輻射等參量正在逐漸成為更廣泛使用的指標(biāo) 。 3. 2 爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)的影響 強(qiáng)的太陽(yáng)耀斑 (含光學(xué) 、射電和 X 射線爆發(fā)) 常會(huì)有日冕物質(zhì)拋射相伴 ,強(qiáng)的拋射也 常有太陽(yáng)耀斑相伴 ,雖然它們之間的關(guān)系尚無(wú)定論 ,但從對(duì)地球影響的角度 ,可能把這兩 種爆發(fā)型活動(dòng)共同研究 。 太陽(yáng)耀斑對(duì)地球大氣氣壓 、大氣的臭氧含量和大氣電狀態(tài)都有明顯擾動(dòng)作用41 ?？? 以把太陽(yáng)耀斑的影響分為同時(shí)效

42、應(yīng)和延遲效應(yīng)兩種 。前者包括地球電離層的突然騷擾及 地磁場(chǎng)的鉤擾現(xiàn)象 ,它主要是耀斑的紫外與軟 X 射線引起的 ,發(fā)生的開(kāi)始時(shí)間與地面上 觀測(cè)到耀斑的時(shí)間很相近 ;后者則是與太陽(yáng)耀斑爆發(fā)有關(guān)的粒子輻射相應(yīng)的電離層暴 、地 磁暴和太陽(yáng)質(zhì)子事件等42 。 近 30 年來(lái)太陽(yáng)耀斑 、日冕物質(zhì)拋射 、行星際激波和地球環(huán)境擾動(dòng)的比對(duì)研究 ,揭示出 幾乎所有地球附近觀測(cè)到的粒子能量 E > 10MeV 的太陽(yáng)高能粒子事件 ( 簡(jiǎn)稱(chēng) SEP 事件) 都 與日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動(dòng)的行星際激波有關(guān) 。特別是高流量的太陽(yáng)高能粒子事件都伴隨于快 速的 ( > 400 kmΠs) 大拋射 。甚至對(duì)于很高能量 (

43、 相對(duì)論性的) 的太陽(yáng)質(zhì)子事件 ( 稱(chēng)為地面 事件 , GL E) , 也沒(méi)發(fā)現(xiàn)與相應(yīng)的太陽(yáng)耀斑的爆發(fā)幅度有什么關(guān)系 。觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)孤 立的沒(méi)有耀斑相伴的爆發(fā)暗條 ,導(dǎo)致了一次含有能量 > 50 MeV 的質(zhì)子事件 ,值得注意的 是 ,這個(gè)暗條的消失伴有物質(zhì)拋射及行星際激波 。 許多人曾認(rèn)為 ,米波射電 Ⅱ型爆發(fā)所代表的日冕激波是日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動(dòng)的行星際 激波的前身 ,認(rèn)為米波射電 Ⅱ型爆發(fā)源是位于其之前 。這是必須給予更正的物理概念 。 觀測(cè)分析表明 ,存在兩類(lèi)不同起源的米波射電 Ⅱ型爆發(fā) ,其一是日冕的激波導(dǎo)致的米波射 電 Ⅱ型爆發(fā) ,其二是物質(zhì)拋射驅(qū)動(dòng)的激波導(dǎo)致的行星際射電

44、 Ⅱ型爆發(fā) ( 頻率 < 1 MHz = 稱(chēng) 為行星際 Ⅱ型事件 ( IP type Ⅱevent) 。當(dāng)然 ,這兩種起源的激波都能加速粒子 。 也曾設(shè)想太陽(yáng)高能粒子事件是分兩步產(chǎn)生的 ,首先由太陽(yáng)耀斑 ( 脈沖事件) 產(chǎn)生較低 能量的粒子 , 然后再由激波把粒子加速到高能 。事實(shí)上 , 觀測(cè)到的大的太陽(yáng)高能粒子 ( SEP) 事件都有很大的空間跨度 ,對(duì)同一個(gè)物質(zhì)拋射在不同位置測(cè)到的成分相近 ,這不能 用發(fā)生在某一相對(duì)小區(qū)域的耀斑脈沖爆發(fā)加速的高能粒子在日冕中擴(kuò)散過(guò)程來(lái)解釋 ; 大 的太陽(yáng)高能粒子事件都是漸變型的 ,可以持續(xù)長(zhǎng)達(dá)幾天 ,比耀斑壽命長(zhǎng)很多 ; 脈沖型的事 件的成分為富鐵

45、型 ,3 He 與4 He 成分比率較高 ,而漸變型事件為貧鐵型 ;對(duì)事件的元素電離 態(tài)的測(cè)量表明 ,大太陽(yáng)高能粒子事件的等離子體溫度范圍是 1～2 MK ,很接近它周?chē)娜?冕或太陽(yáng)風(fēng)的溫度 ,而遠(yuǎn)小于耀斑區(qū)的溫度 。再考慮到物質(zhì)拋射還起著將太陽(yáng)大氣中的 閉合磁場(chǎng)打開(kāi)成開(kāi)放磁場(chǎng)的作用 ,終于使研究者認(rèn)識(shí)到 ,不是太陽(yáng)耀斑 ,而是日冕物質(zhì)拋 射是地球的高能粒子環(huán)境突發(fā)擾動(dòng)的最重要的制造者 。 現(xiàn)在普遍接受的看法是 ,有兩種太陽(yáng)高能粒子事件的起源 ,一種是起源于太陽(yáng)耀斑爆 發(fā)區(qū) ;另一種是漸變型的 ,與物質(zhì)拋射密切相關(guān)29 。 日冕物質(zhì)拋射對(duì)地球磁場(chǎng)的影響 ,首先是從它與各

46、種地磁指數(shù)如 KP ,AP ,DST 的關(guān)系 研究得知的 。這些地磁指數(shù)與太陽(yáng)風(fēng)的速度 、強(qiáng)度及行星際磁場(chǎng)南向分量關(guān)系密切 。我們 已經(jīng)知道 ,正是這種物質(zhì)拋射引起了太陽(yáng)風(fēng)參量的不同程度的偶發(fā)性的擾動(dòng)或增長(zhǎng) 。在 1AU 以?xún)?nèi) ,絕大部分的行星際激波都是被它產(chǎn)生 。激波與地磁場(chǎng)的碰撞和壓縮地磁場(chǎng) ,形成 了地球上的磁暴急始 (SSC) ,因此 ,它們與物質(zhì)拋射有很好的相關(guān)性 。統(tǒng)計(jì)工作表明 ,大多數(shù) 大地磁暴是由激波和日冕物質(zhì)拋射導(dǎo)致的 ,少部分是僅由激波引起 ,很少一部分尚不知起 因 ;強(qiáng)地磁暴則絕大多數(shù)是由激波和日冕物質(zhì)拋射產(chǎn)生 ,其余部分是由激波產(chǎn)生 。 在地球附近太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)

47、的垂直分量 B z < 0 ( 即南向分量) 與地磁暴的發(fā)生有直接關(guān) 系 ,特別是與長(zhǎng)時(shí)間的南向分量關(guān)系更密切 。攜帶有強(qiáng)南向磁場(chǎng)的被拋射日冕物質(zhì) ,像一 塊磁云一樣掃過(guò)地球時(shí) ,就會(huì)產(chǎn)生偶發(fā)性急始型地磁擾動(dòng) 。同時(shí)磁云還會(huì)使地球的銀河 宇宙線環(huán)境發(fā)生變化 。 4 太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)固體地球的影響 本節(jié)的討論僅限于太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象對(duì)固體地球的影響 ,而不涉及寧?kù)o太陽(yáng) (含寧?kù)o太陽(yáng) 風(fēng) ———背景太陽(yáng)風(fēng)) 導(dǎo)致的影響 。 為尋找地震活動(dòng)的天文因素做的大量統(tǒng)計(jì)工作顯示 ,較大地震多發(fā)生在太陽(yáng)活動(dòng)的 峰年及谷年或下降段后期43 ,44 。有人認(rèn)為 ,地震的發(fā)生與地磁暴的發(fā)生有關(guān) ,以及久

48、旱是 強(qiáng)地震的中期前兆 ,澇雨是臨震前兆 ,磁暴和久旱的天氣過(guò)程是以太陽(yáng)活動(dòng)為天文因素 的45 ,46 。還有人試圖用太陽(yáng)活動(dòng)峰年 ,地磁暴和地電流加強(qiáng) ,導(dǎo)致地殼中有磁致伸縮和加 熱 ,使不穩(wěn)定態(tài)的震源發(fā)震 ,而谷年則因溫度降低導(dǎo)致自發(fā)磁致伸縮引發(fā)地震43 ,來(lái)解釋 太陽(yáng)活動(dòng)與地震的關(guān)系 。應(yīng)該肯定地震 、海嘯等與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系 ,但是確切的聯(lián)系特別 是其機(jī)理仍是有待解決的重要課題 。 太陽(yáng)活動(dòng)影響固體地球環(huán)境的另一個(gè)方面 ,表現(xiàn)在地球的極移和自轉(zhuǎn)速率的變化 。 據(jù)地球的極移的 10 年尺度的波動(dòng)研究 ,柯熙政等47 于 1999 年指出 ,極移的頻譜分布中的

49、 白噪聲項(xiàng)與太陽(yáng)黑子數(shù)的變化有很強(qiáng)的相關(guān)性 ,受到太陽(yáng)活動(dòng)影響 。地球自轉(zhuǎn)速率的變 化體現(xiàn)日長(zhǎng) (每天的時(shí)間長(zhǎng)度) 的變化 ,日長(zhǎng)的變化有 11a ,22a ,90a 等的周期 ,與太陽(yáng)黑子 活動(dòng)周期相符 。羅時(shí)芳等48 和顧震年49 發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)活動(dòng)周的峰年日長(zhǎng)周年變化幅度為 最大值 ,谷年則為最小值 ,且太陽(yáng)活動(dòng)的峰年 、谷年大致分別對(duì)應(yīng)于日長(zhǎng)增大和縮短 。這 種影響的定量機(jī)理尚不清楚 ,定性可理解為太陽(yáng)的電磁輻射和粒子輻射隨太陽(yáng)周的變化 通過(guò)地球大氣 、海洋耦合到固體地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。太陽(yáng)耀斑 、日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)型活 動(dòng) ,會(huì)使背景太陽(yáng)輻射和粒子發(fā)射突然疊加上增強(qiáng)量 。

50、觀測(cè)分析發(fā)現(xiàn) ,這種突變將使地球 自轉(zhuǎn)變慢 。最近 ,廖德春和廖新浩50 分析 1818～1999 年的資料 ,得到黑子數(shù) schwabe 周期 隨時(shí)間的長(zhǎng)期波動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)率的低頻變化有很強(qiáng)的相關(guān)性 ,位相滯后約 5a 。他們認(rèn)為 這是太陽(yáng)活動(dòng)影響地球自轉(zhuǎn)長(zhǎng)周期變化的新證據(jù) 。 應(yīng)該指出的是除固體地球自轉(zhuǎn)速率和極點(diǎn)位置本身受太陽(yáng)活動(dòng)影響外 ,它們還作為 太陽(yáng)活動(dòng)與地核 、地幔 、海洋 、大氣之間的中介者 ,參與調(diào)制地震 、海平面變化 、El Ninno 事 件 、氣候變遷 、地磁變化等發(fā)生 ,將太陽(yáng)活動(dòng)的影響施于地球環(huán)境43 ,51 ～53 。 第 四 紀(jì) 研

51、究 2 0 0 2 年 520 結(jié)語(yǔ) (1) 太陽(yáng)活動(dòng)過(guò)程復(fù)雜 ,形式多樣 ,是現(xiàn)代太陽(yáng)物理研究的最主要內(nèi)容之一 。它的研 究要求地基和空基的不間斷的探測(cè) ,涉及到等離子體物理 、磁流體力學(xué) 、高能物理和應(yīng)用 數(shù)學(xué)的使用 。在相關(guān)現(xiàn)象方面已有較多的認(rèn)識(shí) ,但是在定量的產(chǎn)生機(jī)制 、觸發(fā)機(jī)制 ,甚至 某些現(xiàn)象的某些參量的測(cè)定上都還有大量未解決的問(wèn)題 。 (2) 太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境的影響是廣泛的 、多層次的 。對(duì)它的研究涉及到太陽(yáng)物理 學(xué) 、空間物理學(xué)和地球物理學(xué)等幾個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)代知識(shí) ,這是一門(mén)較新的邊緣學(xué)科 ,與人類(lèi) 的生存和活動(dòng)關(guān)系密切 ,發(fā)展迅速 。已有的進(jìn)展主要表現(xiàn)在我們對(duì)各種

52、現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)相關(guān) 研究以及對(duì)影響過(guò)程的因果鏈研究上取得的進(jìn)展 。我們面臨的挑戰(zhàn)是對(duì)已知現(xiàn)象的定量 確切測(cè)量 、分析和對(duì)日空地各個(gè)層次的相互耦合作用開(kāi)展大規(guī)模 、多學(xué)科的研究 。 (3) 這個(gè)領(lǐng)域的任何實(shí)質(zhì)進(jìn)展 ,都將有益于我們的環(huán)境工作 、某些技術(shù)改進(jìn) 、減災(zāi)防 災(zāi) 、空間探測(cè)和開(kāi)發(fā)以及行星的 、月球的探測(cè)和利用 。因?yàn)樘?yáng)是太陽(yáng)系的家長(zhǎng) ,她的“喜 怒哀樂(lè)”都會(huì)對(duì)地球及其環(huán)境產(chǎn)生控制性的影響 。 5 參 考 文 獻(xiàn) 1 Herman J R , Goldberg R A. Sun , Weather , and Climate . Washington D. C. : N

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