定义
定义1:太阳向太阳系连续地以很高的速度和不稳定的强度释放的电离气体流。当该气体流在地球附近通过时,它将与地球磁场发生作用并在高层大气中产生各种效应。所属学科:大气科学(一级学科);大气物理学(二级学科)。
定义2:日冕因高温膨胀,不断抛射到行星际空间的等离子体流。
性质
在太阳系中,太阳风的组成和太阳的日冕组成完全相同。73%的是氢,25%的是氦,还有其他一些痕量杂质。目前还没有精确的测量结果。在地球附近,太阳风速为200-889km/s。平均值为450km/s,大约800kg/s的物质被一太阳风的形式从太阳逃逸。这同太阳光线的等价质量相比是很小的。如果把太阳光线的能量换算成质量,大约每秒钟太阳损失4.5Tg(4.5×10^9kg)的质量。
因为太阳风是-(zh-hant:电浆;zh-hans:等离子体)-,所以太阳磁场被它承载。一直到大约160Gm(100,000,000英里)的地方,由于太阳的转动,太阳磁场被太阳风拉扯成螺线形状。超过此距离,太阳对太阳风的影响减弱。通常太阳风的能量爆发来自于太阳耀斑或其他被称为“太阳风暴”的气候现象。这些太阳活动可以被太空探测器和卫星测到,主要标志是强烈的辐射。被地球磁场俘获的太阳风粒子储存在VanAllen辐射带中,当这些粒子在磁极附近与地球大气层作用引起极光现象。具有和地球类似的磁场的其他行星也有极光现象。在星际媒质(主要是稀薄的氢和氦)中,太阳风就像是吹出了一个“大泡泡”。
在太阳风不能继续推动星际媒质的地方称之为日球层顶(heliopause),这也通常被认为是太阳系的外边界。这个边界距离太阳到底多远还没有精确的结果,可能根据太阳风的强弱和当地星际媒质的密度而变化。一般认为它远远超过了冥王星的轨道。
源头
据美国宇航局太空网报道,天文学家查找到了两种类型的太阳风之一缺失的起始点。太阳风是太阳经常向四面八方发射出的一连串带电粒子流。这些粒子从太阳到达地球所需的时间不超过10天,并且当太阳风变成风暴时,它们与地球磁场结合,就会产生在极地的天空中舞动的美丽极光。
从太阳的赤道区域发射出来的太阳风,起源于太阳大气内部的亮区边缘,当两个亮区的磁场结合时,就会产生这种太阳风。太阳随同太阳风一起发射出来的放射物是纯粹的能量,太阳风迅速将物质转移走。太阳的磁场为太阳风的粒子提供了加速度,并且这种磁场的结构会影响太阳风冲进太空时的速度。天文学家根据它们的速度辨认出两种太阳风。
速度较快的太阳风起源于太阳极点附近的冕洞,它的运行速度每小时大约可达180万英里(每小时290万公里)。速度较慢的太阳风来自太阳赤道区域,时速大约可达43.2万英里到110万英里(每小时72万公里到180万公里)。
形成原因
日冕上长期存在着一些长条形的大尺度的黑暗区域。这些区域的X射线强度比其他区域要低得多,从表观上看就像日冕上的一些洞,人们形象的称之为冕洞。冕洞是太阳磁场的开放区域,这里的磁力线向宇宙空间扩散,大量的等离子体顺着磁力线跑出去,形成高速运动的粒子流,粒子流在冕洞底部速度为每秒16km左右,当到达地球轨道附近时,速度可达每秒800km以上。这种高速运动的等离子体流也就是人们所说的太阳风。
太阳风从冕洞喷发而出后,夹带着被裹挟在其中的太阳磁场向四周迅速吹散。现在人们肯定,太阳风至少可以吹遍整个太阳系。 当太阳风到达地球附近时,与地球的偶极磁场发生作用,并把地球磁场的磁力线吹得向后弯曲。但是地磁场的磁压阻滞了等离子体流的运动,使得太阳风不能侵入地球大气而绕过地磁场继续向前运动。于是形成一个空腔,地磁场就被包含在这个空腔里。此时的地磁场外形就像一个一头大一头小的蛋状物。但是,当太阳出现突发性的剧烈活动时,情况会有所变化。此时太阳风中的高能离子会增多,这些高能离子能够沿着磁力线侵入地球的极区;并在地球两极的上层大气中放电,产生绚丽壮观的极光。
1850年,一位名叫卡林顿的英国天文学家在观察太阳黑子时,发现在太阳表面上出现了一道小小的闪光,它持续了约5分钟。卡林顿认为自己碰巧看到一颗大陨石落在太阳上。太阳风的发现是20世纪空间探测的重要发现之一。
发现历史
古中国人在对彗星的长期观察中,认为是太阳的气将彗尾吹向背离太阳的方向。
20世纪20年代,由于有了更精致的研究太阳的仪器。人们发现这种“太阳光”是普通的事情,它的出现往往与太阳黑子有关。
在20世纪30年代,科学家已经知道太阳的日冕层有几百万摄氏度的高温,这是从它的在日全食时观察到的突出形状推算的。一些非常聪明的光谱分析工作也证实了这个高温。 在五十年代,英国数学家Sydney Chapman通过计算获得了在如此高温及如此好的热的良导体条件下气体的性质。他发现日冕一定延伸到地球轨道以外的空间中。同样在五十年代,德国科学家,Ludwig Biermann对彗星的彗尾的逆太阳方向感兴趣,也就是无论彗星是朝向太阳运动,还是远离太阳而去,他的尾巴总是指向远离太阳的方向。 他因此推测是太阳吹出来的稳定的风压迫这个彗尾产生这个现象的。
1958年,Parker预言应该有一股强劲的风从太阳不间断的吹出来,使等离子体充斥行星际的空间。 在此之前,科学家认为这个空间是一个真空。 Parker 意识到在Chapman的模型中太阳向外发散热量与Biermann得用来解释彗尾的假设应该是同一种现象。Parker证明即使日冕被强烈的太阳引力束缚,由于它是热的良导体。日冕仍然会在离太阳很远的距离处保持高温。这是因为引力的大小随着距离的增大而减小,所以在日冕外层的太阳大气会逃逸到空间中去。
当时对Parker太阳风假说的反对意见是很强的。 他给天文物理期刊投递的论文被两个评审员拒绝了。但是当时的编辑苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(他后来获得了1983年诺贝尔物理学奖)保存了这篇论文。
在20世纪60年代,这个太阳风假说被直接的卫星观测证实了。此发现永远的改变了科学家对行星际空间的看法,并得以解释很多现象,像“磁暴”(可以使地球上的供电网络瘫痪)、极光还有其他一些太阳地球现象甚至遥远的恒星形成等。
2012年,美国研究人员对阿波罗系列探月飞船带回的月球土壤样本进行分析后认为,月球上存在的水可能来源于太阳风,这说明其他一些星球也可能同样因此而存在水。
分类
持续太阳风
一种是所谓的“持续太阳风”或称“宁静太阳风”,即射流速度比较小,而微粒含量也不大的太阳风。这种太阳风起源于平静的日冕区,开始时日冕物质以较低的速度作膨胀,渐渐离开太阳表面。随着离太阳距离的增加,膨胀的速度变大,密度不断减小,等到达地球的时候,射流速度一般在每秒钟450千米左右,每立方厘米含质子数通常不超过10个。这种太阳风通常对地球的影响不是很大。
扰动太阳风
另一种则是“扰动太阳风”,即在太阳活跃时期喷射出的粒子流。这种太阳风与太阳抛射物质事件或爆发现象有关,还有时伴有高能荷电粒子的大量增加,其射流速度一般可以达到每秒钟1000-2000千米,粒子密度也比较大,每立方厘米可含质子几十个。扰动太阳风由于其高速高粒子含量的特点,可以对地球产生产生比较明显的干扰。这是因为太阳风所含的微粒主要为氢粒子和氦粒子,当到达地球的电离层时,就会对地球磁场产生扰动,因而对地球的通信等方便造成影响。比方说,太阳风会造成人造地球卫星短路,因而对全球的卫星通信造成障碍,甚至使通讯中断。而对于飞机的飞行以及人造卫星而言,这样的通讯故障有时候会带来灾难性的后果。飞机失去了地面导航,犹如瞎了眼睛一般;而卫星失去了地面通信,则可能迷失方向,甚至于脱离地球轨道。
影响
太阳风虽然猛烈,却不会吹袭到地球上来。这是因为地球有着自己的保护伞——地球磁场。地磁场把太阳风阻挡在地球之外。然而百密一疏,仍然会有少数漏网分子闯进来,尽管它们仅是一小撮;但还是会给地球带来一系列破坏。当太阳风携带的质子冲击到上层大气层,就会分解臭氧层中的氮气分子,形成氮氧化物。这些氮氧化物可以存在几周甚至几个月之久,因而足以破坏高度为15至50公里的上层同温层中9%的臭氧。
破坏性
1.当太阳风掠过地球时,会使电磁场发生变化,引起地磁暴、电离层暴,并影响通讯,特别是短波通讯。
2.对地面的电力网、管道和其它大型结构发送强大元电荷,影响输电、输油、输气管线系统的安全。
3.对运行的卫星也会产生影响。
4.一次太阳风的辐射量对一个人来说很容易达到多次的X线检查量。它还会引起人体免疫力的下降,很容易引起病变,也会使人情绪易波动,甚至车祸增多。
5.会使气温增高。
6.在南北极形成极光。
引发的灾难事件
1989年3月13-14日,太阳风暴造成加拿大魁北克地区电网停电;全球无线电通讯受到干扰;日本一颗通讯卫星异常;美国一颗卫星轨道下降;
1991年4月29日,强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏;
1994年1月20-21日,两个加拿大通讯卫星发生故障;
1997年1月6-11日的日冕物质抛射使AT&T公司通讯卫星报废;
1998年5月19日美国银河四号通讯卫星失效,同时德国一颗科学卫星报废;
2000年7月14日欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到严重损害,日本的ASCA卫星失控,AKEBONO卫星的计算机遭到破坏;
2003年10月28日,欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到不同程度损害,日本“回声”卫星失控;
2010年8月4日晚(格林尼治时间),受太阳风暴影响,英国出现壮观的极光现象;位于同一磁纬度的丹麦和美国北部密歇根州也出现了壮观的极光现象;8月1日,太阳表面出现太阳风暴,数吨等离子体抛入行星际空间,当这些等离子体抵达地球大气,便产生绚丽的极光。
其它发现
2012年10月,英国《自然-地学》杂志刊登报告说,美国研究人员对阿波罗系列探月飞船带回的月球土壤样本进行分析后认为,月球上存在的水可能来源于太阳风,这说明其他一些星球也可能同样因此而存在水。
美国田纳西大学等机构的研究人员报告说,他们对阿波罗11号、16号和17号飞船带回的月球土壤样本进行了分析,结果显示,其中所含有的氢氧基中的氢原子,其同位素比例等特征与太阳风中的氢原子相似。氢氧基是由一个氢原子和一个氧原子组成的原子团,再加上一个氢原子就变成了水。
他们发现,每100万份凝聚物包含200到300份水和水分子片段羟基。然后他们借助光谱学查看氢相对于氘(重氢)的比例,结果发现,氢相对于氘的比例极其低,与太阳风里发现的这一比例基本相符。