太陽對地球太空天氣的影響課件

SolarWind(太陽風(fēng))

什麼是太陽風(fēng)？我們所知的太空其實並非是真空，在地球附近每立方公分約有10個質(zhì)點，而且是帶電質(zhì)點。這些帶電質(zhì)點來自於我們的太陽------從日冕洞吹來的太陽風(fēng)。太陽風(fēng)的速率在地球附近每秒約400公里。

誰提出太陽風(fēng)的概念？柏克(Parker)在1958年提出有名的太陽風(fēng)理論。太陽隨時有高速的電漿放出而充滿於行星際空間，也就是所謂的太陽風(fēng)。柏克並算出，如果太陽附近的日冕溫度若是一百萬度時，則在距離太陽1AU的地球附近地區(qū)，太陽風(fēng)的速率是500公里/秒及密度是每立方公分有七個質(zhì)子或電子。1962年，美國的水手二號太空船，證實了柏克的理論是正確的。SolarWind(太陽風(fēng))太陽風(fēng)中不但有電漿，而且太陽表面的磁埸亦為其所帶出，即所謂的行星際空間磁埸(IMF)。太陽在旋轉(zhuǎn)，在赤道附近自轉(zhuǎn)一周約為地球的25天，而兩極則是35天左右。在太陽表面不同部份會放射出不同速度的太陽風(fēng)。當(dāng)太陽風(fēng)吹出時，磁場會被太陽風(fēng)拉著跑，由於太陽的自轉(zhuǎn)，太陽磁場會以螺旋結(jié)構(gòu)分佈於太陽系當(dāng)中，此一太陽磁場又會與太陽系行星的磁場相互影響而造成多個行星附近之太空天氣變化。太陽對地球太空天氣的影響太陽的爆發(fā)是所有太空天氣現(xiàn)象的主要來源，太陽風(fēng)夾帶著這些效應(yīng)到地球時，會與地球磁場作用而影響磁層與電離層，同時引發(fā)的磁層與電離層之電漿耦合作用也很重要。整個作用鏈從太陽直到地球觀測到的磁暴，這包含著相當(dāng)複雜的過程，而星際宇宙射線(galacticcosmicrays)也被視為傷害的次要來源。太空天氣對地球太空環(huán)境各層面的影響

...disruptedbysolarandgeomagneticevents

Satelliteoperations(衛(wèi)星操作)SpaceShuttleandSpaceStationactivities(太空任務(wù))High-altitudepolarflights(高緯極地飛航)Railway(鐵路交通)Navigation(航海)HFradiocommunications(高頻通信)

Mobilephonecommunications(行動電話通信)Electricpowerdistributions(電力配送)Pipelineoperations(油氣輸送)LongTermClimateVariations(長期氣候變動)cardiovasculardiseaseincidence(心血管疾病發(fā)病率)

太空天氣對衛(wèi)星運作可能造成的影響FalseOperations(錯誤動作):PHANTOMCOMMANDPROTONEVENTS(質(zhì)子事件)PowerPanelOutputLoss(能源板輸出消失)ChargeDeposition(電荷沉降):SINGLEEVENTUPSETSArcDischarges(弧狀放電):BulkCharging(DeepDielectric)IONEFFECTSonOPTICALSENSORS(光學(xué)元件受損)Tumbling(衛(wèi)星翻滾)PointingProblems(指向問題):MagnetopauseCrossingEventsGeomagneticStorms&Substorms

(地磁活動造成的拖曳):DragJoeAllen:PhantomCommand(PC)isthedescriptivenamegiventothetypeofanomalyinwhichasatelliteinstrument“turnson”whenitshouldbe“off”,orthereverse,asifacommandwasreceivedoutoftheplannedsequencefromsomephantomgroundcontroller.Suchanomaliesmaybeonlyanuisancetosatelliteoperators,ortheymayimpairtheoperationofsystemsvitaltosatellitefunction.TheyareoftenseenclusteredinsectorsofaGEOsatelliteorbit,suchasthe“midnight-to-dawn”region(seefollowingslides).Also,theyareoftenclusteredbi-modallybyseason,withthepeakhappeninginthedaysbeforeandaftereachequinox.OneaerospaceengineerreportedaGEOsatellitethathaditsanomaliesclusteredinthehoursnearesthedawnandduskmeridianpassage.However,theywerealsoclusteredbyseason.ItturnedoutthatthesatellitehadsignificantthermalelectronemissionfromthelargesunlitsurfaceofacontinuallyEarth-pointingmainantenna.Whenthesatellitewasneardawnanddusk,theantennawasself-shadowingandcreatedaconditioninwhichdifferentialsurfacechargingcouldoccurinthepresenceoflowerenergysurpluselectrons.ThedistributionofgeomagneticstormsasmonitoredbytheKporApindexshowssimilarequinoctialpeakstothoseofthePCsatelliteanomalies,andrepresenttimeswhensurpluselectronsarepresent.(Adaptedfrom:JoeH.Allen,SCOSTEP,GOMAC2002)衛(wèi)星運作異常次數(shù)的變化趨勢(恰與太陽活動周期趨勢相符)造成衛(wèi)星運作被破壞的原因ElectromagneticRadiation(電磁輻射)FlareX-raysandUVaffectionosphere/communications.Energeticparticles(ions)(高能粒子)

formshockwave,movemagnetosphereinsideGEO,enhanceradiationbelts,andcausegeomagneticstorms&substorms.Geomagneticstorm(地磁暴)

disturbedfields¤tsystems,surfacecharging.AuroralSubstorm

(極光副暴)currentsystemsandfieldsaffectsatellitesdirectly.KillerElectrons

(殺手電子)increaseatGEOafterlowlevelmagneticstorm,lastforweeks.JoeAllen:Inorderforactivityobservedon/attheSuntocauseproblemsforasatelliteininterplanetaryspace,ororbitingEarthinsidethemagnetosphere,andfortechnologyandhumansonEarthorinspace,somephysicalwaveorobjectmustreachthemfromtheSun.Thesemayinclude:Electromagneticradiation–light,X-rays,andotherwavelengthsemittedbytheSun.Energeticparticles,especiallyprotons,alphas,andheavierionsfromCMEsthatexpandoutwardfromtheSuninacloudthateventuallymayengulfthemagnetosphere(ormayonlyslightlygrazeitormissitaltogether).Successivestreamsmayjointogetherandcanformashockwavethatscoopsupotherplasmainitscourse.GeomagneticstormsaredisturbancesatEarthintheotherwiseregulardailyvariationsofthegeomagneticfieldmeasuredbyaworldwidearrayofground-basedmagneticobservatories.Suchstormsarisewhenalargecloudofelectronspenetratethemagnetosphere.TheyarecarriedtailwardbythebrokengeomagneticfieldlinesthatmergedwiththeIMS.Inthetail,theyareinjectedtowardEartharoundthemidnightmeridianinamassneartheequatorialplane.Dependingonthesignoftheirelectricalcharge,theinjectedparticlesaredeflectedbythegeomagneticfieldandformacircleofmovingchargearoundEarth(the“ringcurrent”).Thedynamicinteractionofmovingenergeticparticlesandgeomagneticfieldandinducedpotentialscausesfield-alignedcurrentstoflowspiralingdownfromtheequatorialzoneatgeostationaryaltitudealongfieldlinestothepolarregionswheretheincomingparticlesmaycollidewithatmosphericatoms(mainlyOxygenandNitrogen)andproducethevisibleaurora,ormayreboundforanothercircuit.Counterpartstreamsofprotonsandheavierionsflowinoppositedirectionsfromtheelectronsbecauseoftheirpositivecharge.Atanaltitudeofsome100km,thefield-alignedelectronsmoveinE-Wflowpatternsintheauroralzone,formingthe“auroralelectrojets”.PolarregionmagneticobservatoriesonEarth’ssurfacerecordlargeexcursions,especiallyinH,thatvaryinamplitudeanddirectiondependingonwherethestationisrelativetotheoverheadcurrentsystem.ThesearehighlatitudedisturbancesareAuroralSubstorms.TheequatorialringcurrentproducesaglobaldepressionintheH-componentofthegeomagneticfield.Theamplitudeofthesechangesinthegeomagneticfieldisdescribedandquantifiedbyavarietyofmagneticactivityindices.KillerElectronsofenergy>2MeVarerecordedbyGOESSEMsensorsandothergeostationarymonitoringsatellitesusuallyafterathefirst24hoursofarecurrentgeomagneticstorm.SuchincreasesatGEOaltitudemaybeoftwotofiveordersofmagnitude.Theycanpersistfordaystoweeks,sometimesinterruptedforabout24-hoursbyanotherlow-levelmagneticstorm.Exposuretothesepersistenthighlevelsofenergeticelectronsisassociatedwithsatellitebulkchargingandconsequentarcingwhichcandamagevitalsatelliteelements.太空飛行

(SpaceFlight)太空天氣會影響太空飛行的每個階段，可能因太陽X射線暴(solarX-rayburst)引起的通訊困難而延期，增強的輻射可能傷及太空人而無法太空漫步，未來有人的行星際飛行也需考量配合較低星際宇宙射線(cosmicrays)劑量的時期，以及太陽高能粒子的屏蔽。太空飛船所面臨的危機來源有：熱電漿電子產(chǎn)生的表面充電(surfacecharging)、高能電子穿透飛船干擾或破壞電子儀器、長時間紫外線造成設(shè)備如太陽電池的老化，以及過強紫外線使大氣層向上升展造成衛(wèi)星在軌道運行的阻力，衛(wèi)星高度陡降會衛(wèi)星失去聯(lián)絡(luò)。

航空(Aviation)對於飛機駕駛、乘客與機上儀器有威脅的輻射線源為二次宇宙射線(secondarycosmicrays)，飛行路線與高度會關(guān)係著影響的程度。因宇宙射線在地磁極區(qū)穿透得較深入大氣層，高緯地區(qū)的路線有較高的曝曬量，因此科學(xué)家正研究該輻射劑量對飛航的影響，歐洲已有飛航的輻射防護法條實施。現(xiàn)代飛機上的微晶片極易受輻射損壞，研究(ZieglerandSrinivasan,1996)指出飛行高度自9km提高至20km時，儀器上的CMOS的軟錯誤率(softerrorrate)將增加一倍。鐵路交通(Railways)

太空天氣風(fēng)暴時鐵道設(shè)備會因地電場而驅(qū)動地磁感應(yīng)電流(GeomagneticallyInducedCurrents,GIC)，目前對於GIC產(chǎn)生的電壓大小與影響的相關(guān)認(rèn)知甚少，唯一明確的事件紀(jì)錄是1982年7月的磁暴期間，瑞典發(fā)生過鐵道號誌自行變成紅燈，但實際並無火車通過，其原因尚不明，但有理由相信一些鐵路設(shè)施的誤動作可能與太空天氣有關(guān)。航海(Navigation)

遠洋船舶之間的通信與定位，主要仍依賴穿透或利用電離層反射的通訊系統(tǒng)，此種系統(tǒng)深受太空天氣的影響，電離層特性的改變將導(dǎo)致地面與衛(wèi)星之間通訊信號衰減或失真，例如全球定位系統(tǒng)(GPS)會因電離層總電子濃度影響其信號傳輸。低層電離層增加的粒子會吸收在相對高頻處(HF範(fàn)圍)的短波無線電，造成無線電通訊完全失靈。平常在低處(D、E層)電離層反射出的較低頻率波在此刻會在比平時更低高度反射，而改變傳播途徑。由於此現(xiàn)象會依據(jù)太陽所產(chǎn)生的地磁擾動大小和位置而持續(xù)數(shù)日，因此對無線電通訊的影響格外嚴(yán)重。高頻通信(HFradiocommunication)最早發(fā)現(xiàn)太空天氣影響電信系統(tǒng)的是150多年前的電報員(Boteleretal.,1998)，當(dāng)時出現(xiàn)電報機無法操作，有時則不需電池也能操作，因地磁場在通信電纜感應(yīng)了GIC。1940年3月的大磁暴曾經(jīng)中斷了北挪威的通訊系統(tǒng)，這次感應(yīng)的電場強度估計高達45~55V/km，而一般太空天氣引發(fā)的電場強度約1~10V/km，因此國際電話的海底電纜可能會感應(yīng)出上百或上千伏特的電壓。雖然現(xiàn)代的光纜不至於有GIC的問題，但信號放大器仍可能因連接金屬饋線而受GIC影響。通信頻率分布圖(頻率由左而右遞增)太陽無線電波暴與手機行動通信

(SolarRadioBurstsandmobilephonecommunications)

太陽無線電波暴(solarradioburst)的雜訊會影響通訊，1996年某日美國的行動通信系統(tǒng)電話中斷率因太陽閃焰(solarflare)無線電波輻射由2%增為9%(Lanzerottietal.,1999)。

Call-blockingburstscanhappenasoftenasonceevery3.5daysduringsolarmaximum.Thisdecreasestooncein18.5daysduringsolarminimum.Consequently,whensolaractivityisatitsmaximum,anaveragebasestationcouldbetemporarilyknockedoutseveraltimesperyear.(Balachandran

Bala,LouisJ.Lanzerotti,DaleE.Gary,DavidJ.Thompson,"NoiseinWirelessSystemsProducedbySolarRadioBursts,"RadioScience,Volume.37,number2,2002).電力系統(tǒng)(PowerGridSystems)

地電場會在電力傳輸網(wǎng)路感應(yīng)GIC，因GIC是準(zhǔn)直流，易造成變壓器飽和。最有名的GIC突發(fā)性災(zāi)難發(fā)生於1989年3月加拿大魁北克，該省經(jīng)歷了數(shù)小時的大停電，紐澤西州的一個變電系統(tǒng)也於相同的磁暴中永久損壞。由於GIC主要在高緯地區(qū)造成問題，北美與北歐國家相當(dāng)關(guān)切這方面的研究，但其實GIC也會影響較低緯地區(qū)，因為GIC的強度大小取決於系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，亦即傳輸線的阻抗、長度與變壓器的位置，還有一些未知的因素。石油與瓦斯輸送管(OilandGasPipelines)

地下輸送管若無正確防護容易腐蝕損壞，腐蝕最嚴(yán)重的部位在於管路插入周圍土壤之處，在那兒電化學(xué)條件