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[空间天气]空间环境-太阳活动的近地空间效应

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更多 发布于:2009-07-03 21:54
太阳与地球的交互作用

在总辐照度上的变化
在总辐照度上的变化整体的亮度可能改变。
在最近的周期变化中的变异量只有约0.1%。
对应于太阳的变化以9-13、18-25和>100年的期间被与海洋表面温度测量值比较。
因为蒙德极小期,在过去300年可能增加0.1%至0.6%,气候模型经常使用的增量是0.25%。
一种重建的ACRIM资料显示在极小期的短暂期间内,输出的数值每10年有0.05%增量的趋势。这些显示太阳磁性活动和格林威治测量的黑子相对数之间有高度的交互作用Wilson, Mordvinov (2003)。

在紫外线辐照度上的变化
在200至300nm的紫外线辐照度从极大期至极小期有大约1.5%的变化 。
在紫外线波长上的能量变化介入臭氧产生和损失的大气层效应。
在最后这4个太阳周期期间,30 hPa大气压力的高度被观测到与太阳活动同步变化。
紫外线辐照度的增加造成高臭氧产生,导致同温层的热化和在同温层和对流层风系的向极位移。
替代的研究认为,因为蒙德极小期,紫外线增加了约3%。


在太阳风和太阳磁通上的变化

一个较活跃的太阳风和更强的磁场减少触击到地球大气层的宇宙射线。
太阳风的活动影响到太阳圈的大小和强度,当充满太阳风的微粒时体积会增大。
宇宙线制造的14C、10Be和36Cl的变动显示和太阳活动相关联。
宇宙射线造成大气层上层电离的变化,但变化显然不是很明显。
再过去的一个世纪,太阳日冕磁通量的倍增,使宇宙射线的通量减少15%。
太阳的总磁通量在1964-1996年上升了1.41倍,而从1901年起上升了2.3倍。

云的效果
宇宙射线被假设对云的凝结核的生成有影响,而会影响到云的形成。观测上的证据认为彼此间并无关联
1983-1994年间来自国际卫星云气候计划(ISCCP)的数据显示,全球性低云的形成与宇宙射线有高度的关联,但随后的交叉比对消除了这种关连性。
经由测量由地球对月球的"地球照",在最近的太阳周期中进行了5年的测量,显示地球的反照率减少了2.5%。由卫星在较早的周期期间进行的测量也有相似的减少结果。
以地中海为核心进行的浮游生物研究也显示与太阳相关的11年周期,在1760和1950增加了3.7倍。被认为与云量的覆盖率减少有关联。
丹麦国家太空研究中心的Henrik Svensmark在实验室推导出宇宙射线的辐照度能产生微粒,虽然这些微粒本质上与在云层中自然构成的凝结核不同

 
 

图片:5.jpg


 
 
极光
极光是由太阳引起的地磁暴的一种动态的、灵敏的、可以看得见的表现。太阳风增加了磁层中的质子和电子的能量,这些粒子通常在地球的极区进入地球外层大气。但这些粒子与稀薄的高层大气中的中性分子和原子相撞击时,部分粒子就会发出不同颜色的光来。

极光开始出现在60°到80°之间,随着磁暴的发展,极光带逐渐向赤道方向扩展。在1909年一次罕见的地磁暴中,在地球的磁赤道上的新加坡也看到了极光。极光为人们展现了一幅幅漂亮的图画,但它们却是可能对人类技术系统造成重大损害的一种信号。


图片:1.jpg


 
质子事件
高能质子能够在大耀斑峰值后30分钟到达地球。在质子事件发生期间,大量由耀斑位置释放的高能粒子(主要是质子)袭击地球。有些粒子可能顺着磁力线到达我们大气层的顶层。

 
 
地磁暴
在耀斑或爆发日珥发生一到四天,一团速度稍慢的太阳物质和磁场到达地球,撞击地球磁层,从而引发地磁暴。这些爆发是地球表面磁场的一种特殊的变化。在地磁暴期间,太阳风的一部分能量被传送到地球磁层内部,从而引起地球磁场在方向和强度上的快速变化。

图片:1.jpg


 
 
太阳微粒的交互作用、太阳磁场和地球的磁场,造成行星表面的微粒和磁场的变化,极端的太阳事件可能影响电子设备。太阳磁场的衰弱相信会始抵达地球大气的宇宙射线数量增加,改变抵达地球表面的微粒种类。它被推测的一种变化认为宇宙射线可能导致地球上某种云层数量的增加,影响地球的反照率.

地磁的效果
地球的极光是与太阳风、太阳磁场、地球磁场和地球的大气层交互作用创造出来的,其中的任何变化都会影响极光的类型。突然的变化会在地球磁场的分布上造成强烈的干扰,称为地磁风暴。

太阳质子事件
高能量的质子可能在主要的耀斑尖峰发生之后30分钟抵达地球,当发生这种太阳质子事件,地球是沐浴在来自耀斑的高能太阳微粒(主要是质子)之下。其中有些微粒会顺着地球磁场盘旋而下,击穿数层地球的大气上层,并且导致大量的大气质点电离,并且使环境中的辐射能大增.

图片:Magnetosphere_rendition.jpg


太阳微粒与地球磁气层的交互作用

银河宇宙射线
太阳活动的增加(更多的太阳黑子)会使在"太阳风"中电离的微粒增加,成为向外流失离开太阳的离子微粒,其中大多数都是质子和电子。地球磁场、太阳风和太阳磁场共同造成银河宇宙射线(GCR)的偏转。太阳活动减弱,渗透进对流层和同温层的GCR就会增加。GCR的微粒是电离的主要来源,终止在对流层上1公里左右(在1公里之下,氡气是许多区域造成电离的主要来源)。GCR的水平被碳-14和铍-10的生成影响间接的记录下来。大约2300年的Hallstatt太阳周期反射在气候上的Dansgaard-Oeschger events。80-90年的Gleissberg周期再长度上取决于一并发生的11年太阳周期,并且看起来在这段时间也发生了相同的气候模式。[编辑]云的效果在电离上的变化影响到在气溶胶内形成云层的核种的丰度。这样的结果,电离化的水平潜在性的影响到结露、低云、相对湿度和与云有关的反照率。由大量的凝结种核形成的云比较明亮,能长期存在,并且可能产生的降雨和雪较少。3%-4%的云量变化和云顶温度的变化与太阳周期的11年和22年相关联,但GCR的水平增加却在"反平行"循环[23]。 全球平均的云遮蔽率变化在1.5-20.%。有些研究显示GCR和云量的变化在纬度高于50°是正相关的,但在低纬度却是负相关[24]。 然而,不是所有的科学家都相信统计的结果,并且规因于太阳的其他一些变化(即,紫外线的总辐照度变化)而不是直接对GCR变动.[25][26]。在解释这些交互作用的困难在于事实上太阳的可变性太多,许多方便都在同时变化,并且一些气候系统都有延迟反应。

图片:787px-Heliosphere_drawing.gif


太阳风和磁场创造的太阳圈围绕者太阳系
 

碳-14的产生
这儿的黑点水平和放射性碳之间的变动有约60年的延迟。碳-14的生成(放射性碳:14C)也与太阳活动相关。碳-14是在大气上层产生的,当宇宙射线轰击大气层的氮(14N),导致氮进行β衰变,因而转换成不寻常的,原子量为14的碳同位素,而不是一般常见的原子量为12。矛盾的是,太阳活动的增加导致抵达地球大气层的宇宙射线减少,因而使14C的生成减少。这是因为宇宙射线在太阳系内会被太阳风的磁场向外排开。因而宇宙射线强度和碳-14的生成反比于活动的一般水平[27]。因此,大气层的14C 在太阳黑子极大期是低值,当太阳黑子极小期时是高值。测量在树木中捕获的碳-14和记算年轮,放射性碳在木头年轮中的数量可以测量出对应的日期。过去10,000的14C重建展示出在中间-全新世的7,000年以前是高的,并且一直减少至1,000年前。除了在太阳活动上的变化之外,碳-14的升成和长期变化还受到地球磁场和生物圈的影响(特别是自最后一次冰河期以来与大片植物相关联的变化)

图片:800px-Carbon14-sunspot_svg.png


太阳嘿子纪录(蓝色)相对于14C(倒置的)。这儿的黑点水平和放射性碳之间的变动有约60年的延迟
 
空间环境-太阳活动观测:http://bbs.typhoon.gov.cn/read.php?tid-25932.html
 
 
 
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发布于:2009-07-03 21:55
极地的X射线辐射

图片:1.jpg



上图是绕极卫星在1996年所拍摄的地球X射线波段影像。在贴上地球经纬线和陆块轮廓线的影像上,大部分的地区都是暗黑的,而靠近北极的明亮X射线辐射区,则用红色来表现。为什么地球会发出X射线辐射呢?事实上,地球的本身不会发出X射线辐射,这不过是地球高层大气的极光活动,在X射线波段会发出能被特殊仪器侦测到的辐射。 极光活动又是怎么产生的呢?来自太阳的高能粒子风,会使地球的磁层变形,让高能的电子沿着磁力线回旋冲向极区,在和高层大气分子相撞后,激发它们发出微弱的可见光。同时也会使大气发出X射线、紫外线和无线电辐射。不过这种X射线辐射不会对地面的生物产生危害,因为在它们传到地面之前,就会被浓密的低层大气吸收
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发布于:2009-07-03 21:57
极光

图片:2.jpg


帘幕状极光

图片:1.jpg



1994年四月,由低空轨道往南方看,奋进号航天飞机的组员拍下这张南极光的绝妙照片。在高纬度的北半球,也可以看到极光,不过它被称北极光。极光的来源是因为太阳风里的高能量电子,受到地球磁场的局限与引导,在极区附近进入大气层和空气分子碰撞的结果。在320公里高空,空气非常稀薄,所产生的极光是红色的。在略低的高空,空气密度较高,产生的极光以绿色为主。在最低空处,极光的色泽是粉红色。这张照片黝黑的背景上,可看见我们很熟悉的猎户座。由于底片曝光期间,航天飞机因轨道运动而移动了,所以猎户座亮星在照片上的影像稍微拉长


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发布于:2009-07-03 22:05
研究称太阳风每年带走6万吨地球大气

图片:4.jpg



地球大气层每年损失6万吨气体,流失速度超过火星和金星。科学家通常认为对地球具有防护屏作用的磁气圈能够保护地球大气层,但最新研究显示,磁气圈和太阳风发生相互作用,导致大气层气体流失。地球的磁场区域被称为磁气圈,起到保护地球生物的作用,它可以阻挡来自太阳的带电粒子流,有效地阻挡着太阳风的侵袭,可避免带电粒子流将能量传输至大气层中的气体分子,从而使气体分子无法逃离地球的重力牵引。因为地球磁场较强,而火星和金星磁场弱到几乎可以忽略,因此按照原先的观点,地球大气应该比金星和火星大气受到更多防护。这可能意味着地球磁场屏蔽不但不能防护大气层,还是导致大气流失的“帮凶”。事实上地球磁场不能有效地保护大气层。造成这种情况出现的“肇事者”是太阳风爆发时所释放出的带电粒子流。地球磁场和太阳风发生相互作用,地球的磁气圈要远大于地球大气层,这意味着带有磁场的行星将从太阳风中吸引更多的能量,这些额外能量将呈现漏斗状朝向地球磁极,因此在地球极地上空电离层的分子能够加速逃逸。太阳风不仅会产生极光现象,而且能使地球大气层温度升高至导致大气层气体沿磁场线逃逸的程度,逃逸的气体会被太阳风捕获。  

受磁气圈影响,地球大气层每年损失6万吨气体,而对比地球大气层数千万亿吨的气体总重量,这一损失量并不会对大气层构成损害。
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发布于:2009-07-03 22:21
太阳风暴形成美丽的极光

图片:1.jpg


发生在2000年7月14日的大太阳风暴的带电粒子传播到了美国各地

图片:2.jpg








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发布于:2009-12-01 13:08
太阳粒子云抨击磁层

图片:3.jpg


来自太阳高能的粒子云抨击磁层,创造出美丽的极光(极光是由一名宇航员在国际空间站拍摄) 。
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发布于:2009-12-05 17:41
空间环境对通讯系统影响

图片:2.jpg



许多通讯系统利用电离层反射电波信号进行远距离信息传播。电离层暴能在所有纬度影响电波传播。有些频率的电波被吸收、有些被反射,从而导致信号快速波动和传播方向被改变。电视和商用电波站很少受到太阳活动的影响,但是地对空、船对岸、美国.之音、欧洲自.由之声和业余电台经常会遭到破坏。高频电波操作者需要通过收听、收看太阳和地磁警报来保证他们的通讯正常运行。 ­

一些××探测仪和早期预警系统也会受到太阳活动的影响。超视距雷达通过电离层反弹回来的信号来监视远距离航天器和导弹的发射。在磁暴期间,该系统由于电波骚扰而受到严重的妨碍。有些潜水艇系统利用海底的磁场信号作为他们定位系统的一个输入参数。地磁暴会掩盖和扭曲这些信号。 ­

美国联邦航空局定期接收太阳爆发的警报,这样他们就可以在一些不必要的维护之前确定、识别传播问题。当一个航天器和一个地面台站与太阳在一条直线上时,由飞机控制的电波频率就会出现干扰。这也可以发生在地面台站、卫星和太阳在一条直线上的情形。 ­
[invensys于2014-09-13 10:03编辑了帖子]
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发布于:2009-12-05 17:45
空间环境对导航系统影响

图片:1.jpg


GPS卫星工作示意图

对于象罗兰远程导航系统(LORAN)和奥米加导航系统(OMEGA),当太阳活动改变了它们的电波波长时系统会受到逆向影响。OMEGA系统包括八个分布在世界各地的信号发射站。飞机和船利用这些信号发射站发射的甚低的频率信号来确定它们的位置。在太阳事件和地磁暴发生期间,该系统给航海家们提供的信息会有几英里的误差。如果航海家在质子事件或地磁暴正在发生期间收到警报,他们就可以切换到一个备份系统。当太阳活动引起电离层密度突然变化时,GPS信号也会受到影响。 ­

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发布于:2009-12-05 17:48
空间环境对卫星和航天器的影响

图片:1.jpg



地磁暴和增强的太阳紫外辐射加热地球高层大气,从而引起大气的膨胀。被加热的空气上升,使得卫星轨道(1000公里)大气密度显著增加。这个结果使得卫星在空间中的拖曳力增强,从而导致运动变慢、轨道轻微地变化。除非定期将卫星向较高轨道推进一点,否则它们将缓慢坠落,最终在地球的大气层中燃烧。 ­

天空实验室就是一个事例,由于没有充分考虑到太阳活动的影响,而过早地回落到地球大气层。在1989年3月的大地磁暴期间,美国海军的四个航海卫星在一个多星期的时间里中断了服务。 ­

科技的发展使得飞船的各部分有可能象小型化发展。而小型化的系统更容易受到太阳能量粒子的袭击。这些粒子能够引起芯片物理损坏,也可以改变卫星上电脑的命令。 ­

表面充电:卫星操作员遇到的另一个问题是表面充电。在磁暴期间,电子和离子的数量和能量都增加了。当卫星穿过这些高能量环境时,充电粒子撞击飞船,从而飞船的不同部分形成不同的充电状态。最后在飞船的不同组成部分间形成弧光放电,从而损害这些部件甚至使它们完全报废。 ­

内部充电:当能量粒子(主要是电子)穿透一个卫星的外壳,在内部某部分积累一定电荷时,就会发生整体充电(也叫深层充电)。当任何一个组件上电荷积累到一定程度,它都要试图通过与其他部件放电而达到控制。这种放电对卫星上的电子系统是一种潜在的危险。 ­

太阳风暴首先会袭击卫星
1998年5月,美国银河4号卫星因受太阳风暴影响而失灵,造成北美地区80%的寻呼机无法使用,金融服务陷入脱机状态,信用卡交易也被中断。今年的这次太阳风暴袭来后,日本的“儿玉”等通讯卫星信号中断,不久后又恢复正常运转。太阳风暴带来的射线辐射对航天器里的宇航员会造成严重的伤害。因此为避免强辐射,国际空间站上的两名美俄宇航员28日和29日数次奉命暂短地撤到了“曙光”号功能货舱的尾部活动。


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发布于:2009-12-05 17:50
空间环境辐射对人类的危害
特大耀斑所释放的高能量的粒子对人类的危害就象核爆中低能辐射对人类的伤害。地球的大气层和磁层对地面上的人们可以起到足够的保护,但是对于太空中的宇航员来说,存在具有潜在致命辐射剂量的问题。标准辐射剂量的高能粒子穿透到生物细胞中,可以导致染色体损伤和癌症的潜在危险。大剂量可以导致立即死亡。能量大于30MeV的太阳质子最具危害性。1989年10月,太阳产生了充足的能量粒子,这时如果在月球上的宇航员只穿了一件太空服而受到爆发的袭击,就有可能死亡(宇航员如果有时间在月球地表下的掩体内获取一定的保护装置,则可能只吸收少量的辐射)。 ­

太阳质子事件也可能对跨越极尖区在高纬地区飞行的超音速飞机造成严重的辐射。为了把这种危险减低到最小,美国联邦航空局定期发布常规预报和警报,这样有潜在危险的航班可以采取改变路线或降低高度的方法来减少辐射暴露危险。 ­
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