太空科学vs.地球磁变(组图)

2009-11-29 02:09 作者: 文 ◎ 林庆辉(清云科技大学电机系教授)

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什么是地球磁极反转?什么是强烈太阳风暴?对人类生存环境可能造成什么影响?现代科技可以让身处地球的我们躲过一劫吗?当科学没有能力判断二零一二预言是否会发生时,该如何看待二零一二预言?

二零一二预言是目前媒体最热烈谈论的议题,随着电影《2012》的开演,这个议题将更被一般大众所关注。检视最近有关二零一二预言的谈论内容,几乎都是围绕着地球磁极反转、强烈太阳风暴,以及地球磁层出现破洞等现象所可能带来的灾难。

不过可能是国人对于太空科学较为陌生,因此在名嘴的谈论中或者是媒体的报导中,一直出现有关太空科学现象的内容与国外学者的研究报告不符,甚至误解与误用的问题,导致一般大众误认为这些科学研究报告是二零一二预言即将发生的佐证。

究竟什么是太阳风暴、磁层破洞与地磁反转的现象?对人类生存环境可能造成什么影响?最近学者们对地球与太空环境是否有新的解读?理性的认识地球与太空相关的自然现象,该如何看待二零一二预言?

什么是太阳风暴?

什么是太阳风暴?太阳多久会发生这种风暴?发生在太阳的风暴为什么会影响地球?现代科技可以让身处地球的我们躲过一劫吗?

事实上,太阳并不只是如肉眼所见的一颗稳定散发光芒的星球,当科学家利用卫星透过不同光谱或频率去观察太阳时,才逐渐发现太阳也存在着变动无常的一面。太阳表面其实充满着相当复杂的磁场结构,而磁场又同时包裹着高能的电浆,这些随时变动的磁场结构有时会崩溃而释放出大量的高能带电粒子与能量,我们称之为太阳表面的活动性。

目前已知太阳活动性与太阳黑子数成正相关,也就是太阳黑子出现越多,太阳表面的活动就越强烈。从太阳黑子的观测纪录,清楚显示太阳活动的强度大约有十一年的周期性。当太阳表面发生强烈变动,进而爆发喷出大量的高能带电粒子流时,人们就把它称作太阳风暴,因此其所对应的现象就是日冕物质喷发(CME)。由SOHO卫星过去的观测,可发现在太阳活动高峰期(如西元一九九九~二零零一年),太阳表面随时都有程度不同的扰动与喷发出现,因此几乎每天都有太阳风暴发生,不过若这些喷发出的日冕物质没有吹向地球,那么也就不会影响我们。目前太阳正处于活动性极小期,因此几乎没有太阳风暴,而美国NOAA太空天气预测中心预测下一次太阳活动高峰期将出现于二零一二到二零一四年之间。(见图一)

太空科学vs.地球磁变
图一、太阳活动性(太阳黑子数)第二十四个周期的预测图。(取自NOAA/SWPC)

当太阳风暴喷发的大量高能带电粒子冲向地球时,会与保护地球的磁层(磁气圈)发生强烈交互作用,对包含电力、通讯、航空、卫星等多方面的设施造成破坏性的冲击,一九八九年三月,加拿大魁北克省就曾因太阳风暴而发生大停电的事件,六百万居民在没有电的状况下度过了九小时。

以过去的事例推论即将到来的太阳活动高峰期,美国国家科学院在二零零九年一月出版的报告,就以戏剧性的预言方式,警告美国东部一半的地区可能会在未来的一次强烈太阳风暴中陷入停电危机之中(见图二所标示区域),接下来将连续引发一连串饮用水缺乏、铁路运输停止、日常生活用品耗竭、医院卫生保健和医疗抢救无法进行等问题,同时其他高纬度国家如北欧瑞典、挪威、丹麦、冰岛等国,以及中国和日本也将出现同样的灾难。

那么人类可能藉由最新科技防范未来的太阳风暴冲击吗?其实答案是悲观的。因为讽刺的是,越是高精密的科技产品越容易受环境的变动而损毁,其中人造卫星就很可能在太阳风暴中首当其冲的被高能粒子毁坏,况且太阳风暴也不是最近才出现,若不是现代社会这么深度依赖电力与科技设备,太阳风暴也不至于会造成什么重大灾难。

太空科学vs.地球磁变
图二、若美国面临如同一九二一年五月太阳风暴所引发的超级地磁暴,预测电力系统会崩溃的区域
。(取自NASA网站)

什么是地球的磁层?

什么是地球的磁层(磁气圈)?为什么它能保护地面上的生物?

大家都知道地球有个像磁铁一样的偶极场,只是当带有磁场与电浆的高速太阳风吹向地球时,地球原有的磁偶极场在向阳面会被压得扁一点,而背阳面之地球磁场的磁场线,则被拖拉成尾巴状,称之为磁尾,因此可说整个地球磁场所能占有的势力范围,就是磁层(有人也称之为磁气圈)(见图三)。

由带电粒子与磁场的作用,可知带电粒子无法直接穿过磁场,只能在沿磁场方向自由活动,因此太阳风的高能带电粒子自然也就被地球磁场挡在外面,无法长驱直入的冲到地球表面来伤害生物与人类。其实仔细讲,地球除了有磁层保护地面生物免于高能带电粒子袭击,由上而下还有臭氧层帮地面隔绝紫外线,大气层也帮忙吸收宇宙射线,并将来自太空的小碎片燃烧成流星,避免地面生物遭受陨石撞击。

太空科学vs.地球磁变
图三、 地球磁场示意图,其中弯曲的线条代表磁场线,明亮区域示意太阳风的冲击,不过图形未按照真实大小比例绘制。(取自NASA网站)

地球磁层破个大洞,且扩大中?

听说NASA发现地球磁层破了个大洞,而且还在扩大中,究竟是怎么回事?

媒体曾刊出“保护地球的磁气圈正在变薄”与“二零零八年十二月,美国国家太空总署(NASA)宣布发现磁气圈破了个大洞,比地球宽四倍而且还在扩大中”的惊人消息,造成不少人的引用与讨论。

其实刊登于二零零八年十二月十六日NASA头条新闻的原始内容并没有磁层变薄与磁层的破洞还在扩大中的措词,NASA这个新闻稿主要介绍THEMIS卫星在磁层内观测到大量高能太阳风粒子的异常现象,而此事件恰好与电脑数值模拟结果相吻合,同时在模拟结果中竟然发现在地球南北两极的上空,因为磁场重连作用产生巨大的磁场裂缝。因此该磁层破洞是由电脑模拟所得,并不是卫星可直接观测的,同时磁场重连作用若消失,磁层破洞也就随之消失,所以该破洞不是持续存在的结构,也就没有所谓的持续扩大这回事。

什么时候可能出现地磁反转呢?

地球磁极会反转吗?地磁会消失吗?什么时候可能出现地磁反转呢?

从古老岩层的分析中,可发现地球磁极曾反转过多次,不过间隔周期不一,平均大约是三十万年反转一次,上一次则是发生在七十八万年前。有关磁北极的追踪研究显示,地磁极在二十世纪中被发现以平均每年十公里的速度往北移,最近则加速到每年四十公里,预计未来几十年会由北美迁移到西伯利亚(见图四,粉红线段为磁极漂移的轨迹)。

至于磁极是如何反转,有科学家认为在反转过程中地磁会几乎完全消失。不过,美国Los Alamos国家实验室Glatzmaier博士利用超级电脑所做的数值模拟,可自然出现地磁极反转的过程,且由模拟结果的分析得出,地磁反转过程大概需要几千年来完成,在此过程中,地球磁场并未减弱消失,只是结构扭转得相当复杂(见图五,其中左图是磁极反转之前,右图则是反转中),因此地球磁场依然能保护人类免于宇宙射线与太阳风暴的直接冲击。

另外,对于地磁强度正在减弱的看法,他也指出,由于地磁强度是经常变动的,10%的下降并不一定是磁极反转的前兆,而且目前的地磁距大小还是一百万年平均值的两倍。

所以,地磁会不会在反转过程中消失,以及地磁是否正在减弱进入反转期,科学家仍未能得到一致的看法,对于何时地磁会反转,更是没有人知道。

科学没有能力判断二零一二预言

这么看来目前的地球科学或太空科学,似乎没有能力去判断二零一二预言是否会发生,那我们怎么去看待二零一二预言呢?

科学并非万能,面对恐将来临的大灾难,是否该从不同角度去思考,现代科学的发展方向是正确的吗?为什么专业分工这么精细的科学对于大自然的认识反倒是这么些微与片面呢?回想佛经或圣经对于天地宇宙的描述与说法,会发现许多过去碍于所知有限的科学而将之归于神话或虚幻的东西并不虚幻。返回去学习古人的智慧,从修养心性着手,净化心灵以贴近神明,重新去认识天地与宇宙,或许我们会因此更明白天地自然的变化,而蕴含在预言中的现象与意义,也就自然迎刃而解。



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