太空科學

文/鄭振豐       轉自科學研習月刊第52卷第4期

自遠古時代開始,人類就已發現到太陽表面有不尋常的活動現象,隨著天文觀測儀器的發展,我們發現到太陽表面除了太陽黑子(Sunspots)外,還包括米粒組織(Granule),日珥(Solar prominences),閃焰(Solar flare) 等明顯的活動現象。太陽的活動週期大約是11 年,天文學家估計,2013 5 月份將進入這次太陽活動週期的極大期,對地球的大氣層造成影響,而干擾人類通訊、導航與電信系統。

我們的太陽
在宇宙中,我們的太陽是一個平凡的氣態星球,它的直徑將近140 萬公里,相當於地球的109.2 倍,質量有1.9891×1030公斤,約為地球的33 萬倍,由75%的氫氣、24% 的氦氣及少量的其他金屬或非金屬元素所組成。由於它是個氣態的球體,所以並沒有界限分明的表面。我們把發出強烈連續白光,光線無法穿透的球面層當作太陽的表面,這是太陽大氣的最下層,稱為光球層(Photosphere)。在表層以內分為核心區、輻射區、對流區三部份,以外則稱為太陽的大氣層,分別由光球層、色球層及日冕三部份所組成。
太陽的能量基本上是由核心區所產生的,主要是藉著核融合反應轉換來維繫,核心溫度約1500 萬K,以核融合的方式產生能量,並透過對流及輻射的過程,將能量傳遞到太陽的表層,再以熱輻射的方式往外傳送。根據太陽中氫的含量,這種核融合反應可以維持近100 億年,而太陽形成至今約有46 億年,所以太陽大約再50億年多就會膨漲成為1 顆紅巨星,屆時會膨脹到像金星軌道那樣的大;之後就會將外殼氣體噴灑出去,核心部位則收縮成白矮星,最後冷卻成黑矮星。
由於太陽每秒約放出 3.87×1026 焦耳的能量,使得我們的地球雖然距離太陽約有1.5×108 公里遠,但還是可以感受到太陽的熱量。數十億年以來,它就是如此不斷的以熱輻射的方式將能量傳送至地球,不僅帶動了地球上大氣的活動,並且也孕育出可貴的生命現象。我們地球所接收的太陽輻射約有70%被大氣、陸地及海洋所吸收(30%被反射回太空中),然後經過能量的轉換來支應大氣的環流。

 

太陽表面的活動現象

人類對太陽一直相當的重視, 在約三千多年前,中國的甲骨文中就有疑似太陽表面有異物的記載。之後史書中對於太陽黑子的記載就更多,如《漢書.五行志》記載,漢成帝「河平元年三月乙未,日出黃有黑氣,大如錢,居日中央」;其他還有《宋史》記載,宋神宗「元豐元年閏正月庚子,日中有黑子如李,至二月戊午散」等等。可見在遠古時代,人類就已發現到太陽表面有不尋常的活動現象;十七世紀初期伽利略使用天文望遠鏡觀測後,對太陽表面活動的描述就更為詳實。隨著天文觀測儀器的發展,我們從觀測中發現到太陽表面除了太陽黑子(Sunspots)外,還包括米粒組織(Granule), 日珥(Solar prominences),閃焰(Solar fl­are) 等明顯的活動現象。

(一)太陽黑子(Sunspots)

太陽黑子是太陽表面最容易被觀測到的現象,其成因是光球層附近的磁力線嚴重地纏繞扭曲在一起,抑制了下方對流能量的傳遞,造成這個區域的溫度差不多在4200K 上下,而於太陽表面光球層的溫度約為5800K,由於溫度的差異,於是造成黑子所在區域看起來較光球層為暗(黑子較冷)。中間較暗的部份稱為本影區(umbra),周圍較淡黑的纖維狀部份則稱為半影區(penumbra)。通常太陽黑子習慣成群出現,壽命可持續達數日至數週不等。

2000 年9 月24 日太陽面上的大型太陽黑子

2000 年9 月24 日太陽面上的大型太陽黑子(鄭振豐攝)

(二)米粒組織(Granule)

米粒組織是位於太陽的光球層上,因為對流層內的電漿對流而導致的現象;光球層周邊部分的溫度比中間部分為低而顯得稍暗,於是在日面上形成一粒粒的小型凸狀體。一般用較大口徑的望遠鏡投影日面就可以看到。米粒組織的生命週期不長,約在8 至20 分鐘間而已。

(三)日珥(Solar prominence)

在太陽表面巨大的扭曲磁場拖曳著游離的電漿向外噴發的現象,有些較大者形成拱型狀,典型的日珥約向外突出延伸數千公里,最大的估計可達數十萬公里。一般生命週期可以持續幾天,長者甚至達數個月。日珥在平常用一般望遠鏡無法看到,必須在日面出現全食的時候,或使用特定波段的太陽望遠鏡才可以看到。日珥發生在日面周邊時最為明顯;若是發生在日面上,則因視覺的關係,投影在日面上形成暗條狀的絲狀體。

從特殊波段的望遠鏡中,可以看到太陽面上的結構及周邊的日珥

從特殊波段的望遠鏡中,可以看到太陽面上的結構及周邊的日珥。(鄭振豐攝)

(四)閃焰(Solar ­are)

閃焰是太陽大氣中的磁能(magnetic energy) 以強烈的輻射型態突然釋放出來的現象,經分析從無線電、可見光、X射線到伽瑪線的光譜形式都有,基本上是以高速的質子與電子向外輻射。一次典型的閃焰爆發釋放的能量,大約有數百萬個氫彈爆炸(或相當於1,000 萬個火山的爆炸)所釋放的能量。閃焰多發生於黑子密集區域,亦即該處的能量很不穩定,在太陽活動活躍期間,可能幾天就發生一次,反之在太陽活動較為平靜時,數十天也未必會出現。

太陽閃焰

太陽閃焰(圖片來源:Courtesy of NASA/SDO and the AIA, EVE, and HMI science teams.

太陽活動的週期

太陽活動有11 年的週期,1843 年由德國天文學家史瓦貝(Heinrich Schwabe)在長達17 年的太陽黑子觀測所發現的。1849 年瑞士天文學家魯道夫.沃夫(Rudolf Wolf) 對太陽面上的黑子制定了一套有效的分類與數量標準,把觀測分類的黑子群數乘以10 再加上黑子的個數,量化成一組結合群組與個數的數字,我們稱為沃夫黑子相對數(Wolf Number),並將太陽黑子的相對數回溯至十七世紀。透過這方法,我們可以看到太陽黑子的數量變化最明顯的是大約有11 年的震盪週期,短的只有9 年,而最長的曾長達14 年。黑子數量的多寡跟太陽活躍與否有著直接的關係,是我們觀察太陽活動的指標。太陽黑子數量多時稱為極大期,此時,太陽表面因磁場零亂而活動頻繁;太陽黑子數量少時稱為極小期,在那段期間太陽表面就顯得較為平靜。

太陽黑子相對數年平均圖

太陽黑子相對數年平均圖(繪製:鄭振豐;數據資料來源:國際太陽黑子資料中心)

在極大期前後幾年,太陽表面上的黑子區相當的活躍,常會有閃焰爆發及日冕物質拋射(coronal mass ejection) 等能量的釋放。每次閃焰爆發時,除了強輻射直接向外衝擊外,還有隨之所帶來一連串密集的帶電粒子流向外傳遞,俗稱太陽風(Solar wind);而這些粒子流現象稱為日冕物質拋射(CME),是太陽能量釋放時被帶出來的日冕物質,傳播速度大約每秒350 ∼ 450公里,而在24 ∼ 72 小時後就會到達地球附近。如果太陽風直接吹襲地球表面,就會對地球上的生命與環境造成毀滅性的影響!不過別擔心,大約在地球上方100 ∼60,000 公里處就包圍著磁場帶,稱為范艾倫輻射帶(Van Allen radiation belt),會將大部份衝擊而來的高能粒子俘獲及導引,使它們不能到達地面,避免對地面上生物直接的致命威脅。雖然1959 年及1989 年曾因大型閃焰爆發衝擊,引發地球磁場的強度和方向發生急劇不規則變化,造成通訊系統及加拿大的發電廠故障等這類事件,但在歷史上尚未有因太陽活動直接傷害生命的紀錄。

太陽活動與地球的關係,影像中太陽的右上可見剛爆發的閃焰現象,隨之向外擴散的帶電粒子在1~3 天影響到地球附近時,被地球上空的范艾倫輻射帶俘獲及導引

太陽活動與地球的關係,影像中太陽的右上可見剛爆發的閃焰現象,隨之向外擴散的帶電粒子在1~3 天影響到地球附近時,被地球上空的范艾倫輻射帶俘獲及導引。(圖片來源:SOHO (ESA & NASA)

最近數十年來,天文學家正持續的留意太陽活動的各種情形,因為其活動變化有可能影響到我們地球,尤其在閃焰爆發正好對著地球時,急衝而來的高能輻射及粒子流可能會直接衝擊地球,對於地球的大氣層影響最大。主要可能的影響如下:

  1. 高層大氣中的電離現象更加明顯,使電離層的範圍更加擴展。
  2. 讓電離層變形造成極光發生的頻率增加。
  3. 隨著電離層的變化,無線電波收訊訊號不良。
  4. 受到高速粒子流的衝擊,對暴露於太空中的太空人及精密的電子零件會造成直接危險。
  5. 通信及導航設備破壞。
  6. 甚至導致地面機電設備受損而停電。

2013 年將進入太陽活動極大期

NOAA 的太空天氣預報中心(Space Weather Prediction Center) 於2009 年5 月就預測,在2013 年5 月份將進入這次太陽活動週期的極大期。然今年開始迄今,太陽的活動雖然活躍,但程度不如2011 年,強烈的閃焰現象甚至好幾個月沒發生過,真的今年是太陽活動週期的極大期嗎?

為此,NASA 的太陽物理學家Pesnell提出解釋:現在的確是太陽極大期沒錯,只不過和一般極大期不一樣的地方,這次的極大可能有兩個峰值。傳統的觀念認為,太陽的活動週期是11 年,但這是個平均值,太陽活動週期並沒那麼規律,振幅從10 ∼ 13 年不等。而且在之前的1989 年和2001 年前後,都是擁有兩次峰值,太陽活動先逐漸攀升,而後降低,之後又再度向上攀升,像是一個大週期中另有著兩個迷你小週期,每個小週期約持續2 年左右。現在可能就是發生了類似的狀況,黑子數量在2011 年攀升,在2012 年下降,因此Pesnell 預期黑子數量在2013 年會再度達到第二個峰值,而這次的小週期會持續到2014 年左右。不論太陽的活動會如何演變,現在僅能大致上知道,2013 年底的活動程度應該會比年初時更為活躍!

太陽的結構

我們將太陽分為6 層,從中心往外分別為:

  1. 核心:約占太陽中心半徑的1/4,溫度大約是1,500 萬K。
  2. 輻射區:將能量以輻射的方式往外傳遞的區域。
  3. 對流區:將能量以對流的方式往外傳遞的區域。
  4. 光球層:我們所看到的太陽表面,溫度大約是5,800K,是太陽黑子活動的區域。
  5. 色球層:緊接在光球層外,一般被視為太陽的大氣,厚度可延伸至2500 公里處,溫度由底層的4,400K向上可上升至3萬K。
  6. 日冕:太陽大氣的外層,是密度很低而且形狀很不規則的區域;它可延伸到數個太陽半徑的距離,溫度介於100 萬至數百萬K之間。

太陽的結構

太陽的結構(圖片來源:THE SOLAR AND HELIOSPHERIC OBSERVATORY)

太陽黑子:太陽球面磁場「緯流差」擾動的結果

太陽本身是一個電漿體,在緯度不同地方的自轉速度也不一樣,例如赤道附近的週期約25 天,而高緯度地區自轉週期約30 多天;表示赤道附近的物質比兩極附近的移動為快,磁力線因此沿著緯度線旋繞在太陽的低緯度地區,由於「緯流差」的擾動使磁力線扭曲打結而形成團狀,在局部地區抑制了下方對流能量的傳遞,造成「太陽黑子」。

影像來源:SOHO (ESA & NASA)

延伸閱讀:

美國太空總署(NASA) 網站2013 年3 月1 日所載科學新聞:“Solar Cycle Update: Twin Peaks?”

(網址:http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2013/01mar_twinpeaks/

鄭振豐 中央氣象局天文站薦任技士

09/15/2014 14:17

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