太陽的變化 - 太陽風暴
前言
從20世紀70年代起，地磁抽搐頻率加快、磁極移動速度加快。而且，地球磁層是一個高度動態的結構，會隨太陽風動態壓力和星際磁場(IMF)方向的變化而急劇變化。NASA警告2013年可能會出現超級太陽風暴，那會達到什麼程度？對地球又有怎樣的影響呢？下面我們就來看一下太陽風及星際磁場等方面都有怎樣的變化。
目錄
1、太陽結構 (Solar Structure)
1.1 太陽內部(Solar Interior)
1.2 太陽對流區以外部分(Visible Sun)
2、太陽活動 (Solar Activity)
2.1 太陽黑子(Sunspot)
2.2 太陽耀斑(Solar Flare)
2.3 日冕物質拋射(CME, Coronal mass ejection)
2.4 太陽風(Solar Wind)
3、太陽磁場 (Solar Magnetic Field)
3.1 星際磁場 (IMF, Interplanetary Magnetic Field)
3.2 磁波與行星軌道(Magnetic Wave & Planetary Orbits)
4、太陽週期 (Solar Cycle)
4.1 黑子週期 (Sunspot Cycle)
4.2 磁場逆轉週期(Solar Magnetic Reversal Cycle)
5、小結 (A Summary)
正文
1、太陽結構 (Solar Structure)
1.1 太陽的內部(Solar Interior)
從內向外分為4個區域：核心(Core)、輻射區(Radiative Zone)、界面層(Interface Layer)和對流區(Convective Zone) [01]。
太陽核心(Core)半徑約是太陽半徑的1/4。太陽能量產生自核心，以輻射(主要是伽馬射線和X射線)的方式向外擴散穿過輻射區，然後以對流體流動(沸騰運動, boiling motion)的方式穿過最外面的對流層。太陽中心的溫度約1500萬攝氏度，密度約是150 g/cm^3 [註：約是金密度(19 g/cm^3)的8倍]。輻射區(Radiative Zone)是0.25~0.85個太陽半徑的區域，由內往外溫度從約700萬攝氏度降到200萬攝氏度，密度從約20 g/cm^3 [註：與金的密度差不多]降到0.2 g/cm^3 [註：小於水的密度]。界面層(Interface Layer)是輻射區和對流區之間薄薄的小層，被認為是太陽磁場產生的地方。對流區(Convective Zone)是最外面的一層，約0.86~1.0個太陽半徑的區域，從20萬公里的深處向外延伸至可視表面。對流層底部溫度約200萬攝氏度，這是一個足夠「涼(cool)」的溫度，使得較重的離子如碳、氮、氧、鈣、鐵，得以保住他們的部分電子。在可視表面，溫度下降到5700℃，密度僅為0.0000002 g/cm^3[註：約是地球海平面空氣密度的萬分之一] [02]。
1.2 太陽對流區以外(Visible Sun)
從內向外分為4個區域：光球層(Photosphere)、色球層(Chromosphere)、過渡區(Transition Region)和日冕(Corona) [01]。
光球層(Photosphere)是我們最熟悉的太陽可視表面，由於太陽是一個氣體球，因而它不是一個固體表面，而是一個約100公里厚氣層[註：與太陽半徑(700,000 公里)相比，可以說非常非常薄] 。用一個有良好過濾功能的簡單的遠鏡，就可觀察到的光球的許多特徵，包括太陽黑子(sunspots)的暗斑、明亮的光斑和顆粒[01]。
色球層(Chromosphere)是光球上面的不規則層，溫度從6000 攝氏度到約2萬攝氏度。這樣的高溫下，氫散發出一種略帶紅色的光(H-alpha emission)，可在日全食期間太陽的隆凸處(prominences)看到。色球層也可看到離子化鈣(Ca II)發出的紫羅蘭色的光，這在其它類似太陽的恆星上看到過。在色球層可觀察到太陽耀斑(solar flares)、隆凸(prominence)和 細絲噴發(filament eruptions) [01]。
過渡區(Transition Region)是太陽大氣(the Sun's atmosphere)的一個非常不規則的薄層，將熾熱(100萬攝氏度)的日冕與涼得多(2萬攝氏度)的光球層分開。這樣的高溫下氫被離子化，因此很難看到。過渡區發出的光，主要像碳四離子(C IV)、氧四離子(O IV)和硅四離子(Si IV)[註：碳、氧和硅，均剝離三個電子]這樣的離子發射出的。這些離子發出太陽光譜中的紫外線部分，而且僅能從太空中才可觀察到[01]。
日冕(Corona)是太陽的外層大氣，在日全食時以太陽周圍珍珠白皇冠的樣子呈現。日冕有大量特徵，包括流光(streamers)、羽流(plumes)和冕環(loops) [01]。
現有理論認為太陽是一個巨大的由內部加熱的核融合反應爐(nuclear fusion furnace)，但是卻漏洞百出，先進的空間儀器也已經發現很多與核融合不符合的證據。例如，如果太陽是核融合爐，那它應該是一個巨大的中微子發射器(中微子卻失蹤)而且太陽日冕也不會存在(成因仍然是迷)[03]。
2、太陽活動 (Solar Activity)
2.1 太陽黑子(Sunspot)
太陽黑子是太陽表面顯得黑暗的區域(出現在光球層)，因為它們比周圍的光球層溫度低約1500 K。因此，它們仍然有約4500 K的溫度，但是與光球層其它區域相比就是涼的了。它們只是相對感覺上的黑暗，因為一個太陽黑子輝從太陽明亮背景裡拿出來後，發出的光也是相當明亮的。觀測到的最大的太陽黑子，直徑約50,000公里，比地球大很多(地球直徑約13,000公里)，這使得它們大到足以用肉眼看到。太陽黑子常以群組(groups)方式出現，一個群組有多達100個黑子，儘管超過10個黑子的黑子群(sunspot groups)相對較少[04]。
2.2 太陽耀斑(Solar Flare)
耀斑是指亮度上的一個突然的、快速的、強烈的變化，這是在太陽黑子區域通過太陽色球層的破裂處的一個戲劇性的突然的能量釋放，通常持續數分鐘到幾個小時。釋放的能量有多種形式：電磁的(伽馬射線和X射線)、充能粒子(質子和電子)和質量流[05]。相當於數百萬個100兆噸級氫彈同時爆炸的能量，但還不到太陽每秒鐘釋放總能量的十分之一。磁場能量的釋放，使得包括電子、質子和重原子核在內的粒子在太陽大氣中被加熱和加速。輻射幾乎跨越整個電磁頻譜，從長波段的無線電波到段波段的X射線和伽瑪射線[06]。
2.3 日冕物質拋射(CMEs, Coronal mass ejections)
日冕物質拋射是幾十億噸電漿體和內嵌磁場從日冕層向星際空間的噴發。日冕物質拋射釋放過程中所涉及的確切過程尚不清楚。CMEs可發生在太陽週期內的任何時間，但是發生率隨著太陽活動的增加而增加，並在太陽活動最大時達到峰值。CMEs向外拋射的速度範圍約50〜2000 km/s [07]。大多數CMEs來自最活躍地區，即與頻繁耀斑關聯的太陽黑子群[08]。CMEs可嚴重破壞地球的環境，強烈輻射在8分鐘之後就到達地球，能改變的外層大氣，破壞遠距離無線電通信。高能日冕物質，在1~4天後到達地球，可導致強烈磁暴、極光和電力中斷[09]。
太陽耀斑和日冕物質拋射是目前在太陽系中最大的「爆炸」」，粗略接近10億顆氫彈的力量[10]！
2.4 太陽風(Solar Wind)
太陽風是從日冕(corona)噴射出的進入星際空間的超音速(300-800 km/s)電漿流。日冕即是，從太陽的可視表面之上4000公里處開始，延長到太空幾個太陽半徑，這之間的太陽大氣層區域。它是由數目大致相等的離子和電子組成；離子成分主要由質子(95％)，以及少量的氦離子和微量離子重離子。嵌在太陽風電漿體中的就是被稱為星際磁場(IMF)的弱磁場。太陽風在密度、速度、溫度和磁場特性方面，隨著太陽活動週期、日面緯度(heliographic latitude)、到日心的距離以及旋轉週期而不同，而且對衝擊、波動、行星際擾動流的響應程度也不同。太陽風在地球軌道處的速度是469 km/s；密度是每立方厘米8.7個質子；磁場強度是6.6 nT(納特斯拉)[11]。
日冕溫度超過1000,000 K，是太陽可視表面溫度的幾百倍[10]。日冕的溫度是如此之高，以至於太陽引力都不能束縛它，因而產生太陽風。儘管已理解為什麼會發生，然而關於日冕氣體在哪裡又是怎樣被加速到如此高速度的細節，尚不清楚[13]。
3、太陽磁場 (Solar Magnetic Field)
3.1 星際磁場 (IMF, Interplanetary Magnetic Field)
在太陽活動最小的時候，太陽磁場像地球磁場一樣，類似棒狀磁鐵的磁場，在赤道附近磁力線閉合，兩極附近磁力線放開，科學家稱這種場為「偶極場(dipole)」 [13]。然而，太陽各處的磁場強度差別非常大。兩極：1~2高斯(Gauss)；太陽黑子：3000高斯；日珥：10~100高斯；色球譜斑：200高斯；短暫活躍區：20高斯[14]。
太陽不停旋轉(每27天自轉一圈)，使得太陽磁場有一個螺旋形狀，科學家Parker第一個描述了它，因此又叫做「帕克螺旋(Parker spiral)」 [13]。然而真實的太陽磁場並不是理想的帕克螺旋，而是一個糾纏磁場(Tangled magnetic fields)[15] 。
太陽磁場並不侷限於其附近，由太陽風運送越過了太陽系內所有行星而遍及太陽系，因此太陽磁場(the Sun's magnetic field)又被稱為「星際磁場(Interplanetary Magnetic Field, IMF)」，也就是說太陽系內所有行星都在太陽磁場內[16]。
沿太陽磁場的赤道(the Sun's magnetic equator)平面，方向相反的開放磁力線彼此平行，被一個薄薄的電流片(thin current sheet)隔開，該電流片被稱為星際電流片(the interplanetary current sheet) 或日光層電流片(heliospheric current sheet)。因太陽旋轉軸和磁軸之間有偏移，電流片是傾斜的。因太陽磁場(the solar magnetic field)的四極矩(quadrupole moment)，電流片又是扭曲的。因此當太陽磁場延伸至星際空間時，便呈現一個波浪狀結構。地球由於有時位於旋轉電流片(the rotating current sheet)上面，有時位於下面，因而經歷著有規律的、週期性的IMF極性改變[16]。
3.2 磁波與行星軌道(Magnetic Wave & Planetary Orbits)
Thom Pawlicki推測我們的太陽系是一個由太陽激發的巨大震動波盤(vibrating waveplate)，高密度磁波(magnetic waves)不僅創造了行星所在的凹槽(grooves)，而且，由於干涉圖樣(interference patterns)造成的螺旋式旋轉(spiralling rotation)，磁波繞軌道盤旋。這已被1984年先驅者號飛船(Pioneer)發回的數據所證實[17]。
Stoneking認為引力效應不是決定行星相對間距的唯一因素。在太陽中觀察到的週期性脈動的複雜樣式(pattern)，傳入太陽風佔主導地位的日光層 (heliosphere)。Stoneking的假設是：這種脈動是一種「離子-聲學波(Ion-Acoustic Waves)」形式的波，通過太陽風的媒介運送，以共振系統(resonate system)的方式向外傳播，這就意味著它是一種按比例擴張的壓力波。微妙的壓力差，推動行星進入到與低壓區匹配的軌道[18]。
斯通金共振(Stoneking Resonance)顯示出了對波得定則(Bode's law) [註：這個定則可以表述為：從離太陽由近到遠計算，對應於第n個行星(對水星而言，n不是取為1，而是-∞)，其同太陽的距離an=0.4+0.3×2n-2(天文單位)]的驚人校正，即行星是按自然的全音階比例，從太陽的位置依次隔開的，而這與太陽磁波關聯得非常好[17]。
4、太陽週期 (Solar Cycle)
4.1 黑子週期 (Sunspot Cycle)
每11年，太陽經歷一個叫做「太陽活動峰(solar maximum)」的活動期，緊接著一個叫做「太陽活動谷(solar minimum)」的寧靜期。 在太陽活動峰，有許多太陽黑子、太陽耀斑和日冕物質拋射，所有這些都能影響地球上的通訊和天氣。 一般來講，耀斑和日冕物質拋射等太陽活動，基本上都與太陽黑子有關，因此通常用太陽黑子數目的多少作為太陽活動強弱的標誌。由於太陽赤道旋轉速度比兩極速度快[註：自轉週期：赤道26.8天；兩極：36天]，太陽磁場線扭曲，峰年時扭曲最厲害。太陽從一個活動峰到下一個峰，需要11年，而完成一個全週期[註：指磁場逆轉週期(Solar Magnetic Reversal Cycle)，也叫黑爾週期(Hale Cycle)，太陽黑子的極性也跟著做相應反轉]要22年[19]。
國際太陽黑子數(ISSN, The International Sunspot Number)由位於比利時的SIDC [20]編製。1700-2006年的年平均黑子數(Yearly Average Sunspot Count)反映了300多年內的黑子數變化。黑子數最多的一次是1958年(S19)，達到破記錄的200個。18世紀前30年突然安靜，僅有3個非常小的峰值；然後突然活躍了，S8和S11峰值超過140。1876-1934年，太陽活動又減弱，除了S5(1917年)，沒有一個峰值超過100[21]。
1750-2010年的月平均黑子數(Monthly Averaged Sunspot Numbers)更細緻地反映了黑子數變化。黑子數最多的一次是1958年(S19)某月，超過250個[22]。
2009年5月29日，一個由NOAA領導、NASA資助的國際專家組發布了關於下一個太陽活動週期(Solar Cycle 24)的預測，預計2013年5月，第24太陽活動週期將達到頂峰，但黑子數會低於平均水平[23]。
Biesecker指出，「即使低於平均水平，也有能力產生嚴重的空間氣候(space weather)影響。舉例來說，1859年(發生了歷史上最大的磁暴)所在的太陽週期(S19)，跟我們預測的2013年所在的週期(S24)，有同樣的黑子數水平。」 [23]
2008-2009年，太陽創造了太空時代記錄(Space Age records)：低黑子數、弱太陽風、低太陽輻射，超過2年沒有明顯的太陽耀斑。Pesnell說「太陽活動谷(Solar minimum)的持續時間已經遠超過預測的2007年了[註：11年太陽活動週期末期延長了15個月以上]，在我們的職業生涯中，從來沒有見過這樣的事。」 [23]
1859年，發生了歷史上最大的磁暴「卡林頓事件(Carrington Event) [24]」。
1959年9月1日爆發了兩個超級太陽耀斑(Solar Flare)。第二天黎明時分，地球上空爆發了紅色、綠色和紫色的極光，非常明亮以至於可以像白天一樣閱讀報紙。更令人驚慌失措是，全球電報系統失控，電火花震驚了操作員，並使電報用紙起火，即使報務員斷開電池供電線路，極光誘導電流依然在線路中發送訊號[25]。
1972年8月4日爆發了一個巨大的太陽耀斑，使美國伊利諾斯州長途電話癱瘓[25]。
1989年3月13日爆發了一個類似的太陽耀斑，引起的磁暴使得加拿大魁北克水電站的電力傳輸中斷，並使該省600萬人民被迫在黑暗中度過了9個小時；極光誘導的電流脈衝甚至融化了美國新澤西州的變壓器[25]。
隨著電子技術越來越複雜，越來越多地嵌入到日常生活中，它們也變得更容易受到太陽活動的危害。單就地球上空的900多顆在軌衛星的潛在損失而言，就可能達300-700億美元[25]。
2013年呢？NASA科學家認為，太陽將從沉睡中喚醒，爆發的太陽耀斑的電磁能量，將以前所未有的程度襲擊地球，時間在2013年左右[26]。
4.2 磁場逆轉週期(Solar Magnetic Reversal Cycle)
由於太陽赤道旋轉速度比兩極速度快[註：自轉週期：赤道26.8天；兩極：36天]，太陽磁場線扭曲，峰年時扭曲最厲害。完成一個全週期磁場逆轉週期(Solar Magnetic Reversal Cycle)約需22年[27]。
通常認為星際磁場(IMF)有一個4納特斯拉(nanoTeslas)[註：磁場強度單位T(特斯拉)和Gs(高斯)的換算關係是：1T=10^4Gs]的底限，IMF的磁場強度不會低於它[28]。
David Archibald [29]發現，2009年6月近27天的平均值卻是3.3納特斯拉。2009年至今，已有個別天的磁場強度低至1.8納特斯拉[28]。Svensmark的宇宙氣候學(cosmoclimatology)理論，弱的星際磁場(IMF)將允許更多的星系宇宙射線進入地球大氣層，造成更多的離子，造成更多的低層雲層[30]。
5、小結 (A Summary)
太陽活動有個11年的小週期(黑子週期)和22年的大週期(磁場逆轉週期)。對地球影響的強弱並不取決於黑子數多少，影響的關鍵因素是：有無巨大太陽耀斑的發生。隨著電子技術越來越複雜，越來越多地嵌入到日常生活中，它們也變得更容易受到太陽活動的危害。
1700-2006年的年均黑子數變化圖，很清楚地展現了11年小週期。
1859年(S10)，發生了歷史上最大的磁暴——卡林頓事件(Carrington Event)，使全球電報系統失控。
1958年(S19)，是年均黑子數最多的年份，達到破記錄的200個；1958年(S19)的某月，月均黑子數最多的月份，超過250個。但這一年地球磁暴並無特別之處。
1972年(S20)，爆發的一個巨大的太陽耀斑，使美國伊利諾斯州長途電話癱瘓。這一年的年均黑子數剛過60。
1989年(S22)，爆發的一個類似的太陽耀斑，引起的磁暴使得加拿大魁北克水電站的電力傳輸中斷，並使該省600萬人民被迫在黑暗中度過了9個小時；極光誘導的電流脈衝甚至融化了美國新澤西州的變壓器。這一年的年均黑子數超過了160。
2013年(S24)，NASA預測太陽活動會達第24個太陽週期的高峰，爆發的太陽耀斑將以前所未有的程度襲擊地球。前所未有，這可能嗎？我們看到，本來2007年就該達到11年太陽活動週期的谷底，但這個週期末期延長了15個月以上；2008-2009年，太陽活動破記錄：低黑子數、弱太陽風、低太陽輻射，超過2年沒有明顯的太陽耀斑；這是前所未有的。通常(1880-2008年)認為星際磁場(IMF)有一個4納特斯拉的底限，IMF的磁場強度不會低於它，但2009年6月平均值卻是3.3納特斯拉，個別天的磁場強度低至1.8納特斯拉。這也是前所未有。
可見，太陽將從沉睡中爆發的可能性非常大，2013年的太陽活動高峰，強度或許會達1859年的水平，那樣的話，由於電子設備的廣泛使用，對地球造成的破壞無疑會超過1859年。但這根本不是什麼世界末日，歷史上已有過很多次太陽活動高峰了！
[References]
[01] Solar Structure
http://solarscience.msfc.nasa.gov/
[02] Solar Structure, Astro-Observer
http://astro-observer.com/solarsystem/sun/structure.html
[03] The myth of the fusion-powered Sun
http://www.rolf-witzsche.com/lovescapenovels/electric_climate.html
[04] Sunspots
http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/sun/sunspots.html
[05] solar flare
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/solar_flare.html
[06] What is a Solar Flare?
http://hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/flare.htm
[07] Coronal Mass Ejections
http://pluto.space.swri.edu/image/glossary/cme.html
[08] Coronal Mass Ejections
http://www.universetoday.com/59230/coronal-mass-ejections/
[09] Coronal Mass Ejections
http://www.windows2universe.org/sun/cmes.html
[10] Coronal Mass Ejections
http://helios.gsfc.nasa.gov/cme.html
[11] Solar Wind
http://pluto.space.swri.edu/image/glossary/solar_wind.html
[12] The Solar Wind
http://solarscience.msfc.nasa.gov/SolarWind.shtml
[13] The Interplanetary Magnetic Field: It comes from the Sun!
http://spaceweather.com/glossary/imf.html
[14] The Sun
http://www.solcomhouse.com/thesun.htm
[15] Solar Spitwads
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2003/08jan_spitwads/
[16] Interplanetary Magnetic Field (IMF)
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/IMF.html
[17] The interplanetary magnetic field as emitted by our sun
http://keelynet.com/spider/magfield.htm
[18] The Stoneking Resonance Model.
http://www.bob-wonderland.supanet.com/journal_9.htm
[19] Solar Maximum
http://www.solcomhouse.com/SOLARMAX.htm
[20] SIDC, Solar Influences Data Analysis Center
http://sidc.oma.be/
[21] Solar Activity & Sunspot Cycles
http://www.michaelmandeville.com/earthchanges/gallery/Sun/sun.htm
[22] The Sunspot Cycle (Updated 2010/07/02)
http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml
[23] New Solar Cycle Prediction
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2009/29may_noaapred...
[24] The Largest Magnetic Storm on Record, Carrington Event
http://www.geomag.bgs.ac.uk/carrington.html
[25] A Super Solar Flare
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/06may_carringt...
[26] Nasa warns solar flares from 'huge space storm' will cause devastation
http://www.telegraph.co.uk/science/space/7819201/Nasa-warns-solar-flares...
[27] the Reversal of the Solar Magnetic Field
http://www.sp.ph.ic.ac.uk/~forsyth/reversal/
[28] David Archibald on – The State of the Sun – 16th June, 2009
http://anhonestclimatedebate.wordpress.com/2009/06/20/david-archibald-on...
[29] The Interplanetary Magnetic Field: lowest point since 1913? by Anthony Watts，June 3, 2009
http://wattsupwiththat.com/2009/06/03/the-interplanetary-magnetic-field-...
[30] A brief summary of cosmoclimatology
http://www.spacecenter.dk/research/sun-climate/cosmoclimatology/a-brief-...
