太空天氣預報(二)
當太陽閃焰發生的時候——

作者:呂凌霄(國立中央大學太空科學所)



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你也許看過這部電影,如果沒看過,就讓我們一塊兒想像一下其中的一段情節吧!在未來的某年某月某日,一批人員因為某種緣故,住在一個太空中的太空站上,並在那兒工作。忽然之間,警急警報聲響起來了。大家都匆匆忙忙的跑進一間狹小密閉的建築物內,好像是要躲避什麼妖魔鬼怪,或是什麼核武攻擊似的。這時一位剛到太空站工作的人,就問身旁資深的工作伙伴:「我們為什麼要躲警報呀?」這位資深的工作人員就說:「你不知道嗎?這是因為觀測到太陽表面發生太陽閃焰了,所以大家要躲到比較安全的地方,以免受到輻射傷害。」。各位,你如果看電影看到這裡,會不會感到疑惑:「什麼是太陽閃焰呢?」,「有一天我們人類真的殖民到太空站,或者是月球,或者是火星上,我們真的要擔心太陽閃焰嗎?」,「真的要像躲核武攻擊那樣躲太陽閃焰的警報嗎?」。很不幸的,最後這兩個問題的答案是肯定的。

在太空中充滿了各種有礙健康的輻射線,大多數直接來自發光的太陽,少數能量高、穿透力強的輻射線,則是來自太陽閃焰以及遠方新星爆炸或超新星爆炸,所遺留下來的輻射線。地球上的人類,受著一層一層的保護,先是最外層的磁層,替我們擋掉了一批能量雖不很高,但是數量卻很可觀的輻射線高能粒子,並在我們的磁層中形成了著名的「范愛倫輻射帶」。然後是電離層幫我們吸收了大量的X光與伽瑪射線,再來就是臭氧層幫我們吸收紫外光。最後就是最下層,密度很高的中性大氣,再替我們擋掉那些漏網之魚的高能輻射線粒子。可是到了太空中,沒有了這些重重的保護,太空人的處境,就變得相當危險了。當然太空人的衣服,設計上就是要擋掉(反射掉)一部分的輻射傷害,可是當太陽閃焰發生時,這些太空衣還有多少保護作用,就不太容易估計了。

什麼是太陽閃焰呢?為什麼會發生太陽閃焰呢?這其實是一個蠻深奧的問題。不過我們可以打一個比方,想像一下,有一大碗黏呼呼半融化的麥芽糖。你拿一支筷子想要去挑起一些麥芽糖。結果很費力的,好不容易扯出一些麥芽糖,最後筷子下方的麥芽糖絲斷開來,一部分的麥芽糖就會打回糖面,另一些則隨著筷子彈出去在太陽表面有一些浮在半空中的日珥結構,就像那支筷子。因為某種原因(答案:磁浮力,不過這與日本和法國的子彈列車的磁浮力並無關係,反而很像水中氣泡所受到的浮力。你知道水中氣泡上升的原理嗎?),原本穩定的日珥結構,開始慢慢向上提升。於是帶動了它四周的磁場線與繞著磁場打轉的帶電氣體(電漿)。這些電漿與磁場線加起來就像那些麥芽糖漿。當它們被提升得太高時,一部分打回太陽表面,就形成明亮的太陽閃焰。一部分隨著筷子(也就是日珥,後來變成行星際的磁雲)彈出來的電漿,就形成所謂的「日冕物質拋射」。這些日冕物質與磁雲,像大炮一般,一團團的向外彈射出去。地球如果不幸被這團東西打到,就會發生磁暴,嚴重時,會使人造衛星以及輸電線路受損。不過這些打出來的日冕物質與磁雲,要花上一、兩天才能傳到我們的地球。至於太陽閃焰所發出的高能輻射線,則只要八分鐘的時間就抵達地球了。可以立刻影響我們的無線電通訊品質。不過還不至於讓人造衛星受損。因此藉著觀察太陽閃焰的出現,或者追蹤某一段日珥(又稱為暗紋)的消失,太空科學家就可以事先發出「壞太空天氣」的預報,提醒人造衛星的遙控操作單位,早做應變的準備啦。


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附圖一、地球磁層以及范愛倫輻射帶的位置示意圖,以及電子運動軌跡示意圖。范愛倫輻射帶是范愛倫博士首先由美國最初的幾顆人造衛星的觀測資料中發現的。范愛倫輻射帶附近的地球磁場,抓住了許多高能的電子與正離子。那些高能的電子沿地球磁場來回運動時,會發出X光。只是它下方的電離層會吸收X光,所以人類一直到人造衛星時代。才知道原來地球自己也有一個X光源。目前科學家在許多外行星,如木星的磁層中,也觀測到類似的X光輻射帶。

附圖二、陽光(Yohkoh)人造衛星鎖定X光所拍攝到之太陽表面日冕照片。

太陽表面也有許多X光輻射帶。它們就是那些被日珥挑起來的磁場線與電漿。被日珥挑起來的磁場線像拱門一樣跨越日珥上方。它們的結構與地球的磁場結構類似,因此電子運動軌跡也類似,所以就會發出X光。科學家發現除了X光外,也可以用超紫外線(EUV)來觀測這些磁場線與日冕電漿結構。就如同上次所介紹的太陽與日磁層觀測(SOHO)人造衛星鎖定超紫外線所拍攝到之太陽表面日冕照片。就是一個很好的例子。

附圖三、科學家鎖定氫阿法光所拍攝的太陽照片。當科學家鎖定氫光譜中的一種特別的紅光:氫阿法光,來看太陽表面時,除了可以看到太陽黑子外,還可以看到一條條的暗紋。當這些暗紋隨著太陽自轉(週期約二十七天左右),轉到太陽邊緣時,反而比背景的夜空明亮,看起來就好像太陽長了耳朵一般,所以叫做日珥(珥本來應該是日字邊,因為是不常用字,所以大家就逐漸用玉字邊的珥取代了。)暗紋之所以暗,是因為它的磁場強,相對的其中電漿溫度就較低,所以含有不少中性的氫原子(電漿的溫度越高,中性氣體含量就越少)。這些氫原子會吸收下方傳來的氫阿法光,所以鎖定氫阿法光所拍的照片上,正面看過去的日珥,顯得特別暗。

附圖四、太陽黑子群集處,或是暗紋的附近,容易發生太陽閃焰。大陸科學界稱太陽閃焰為耀斑。

附圖五、日冕物質拋射的一個範例。這是由太陽與日磁層觀測(SOHO)人造衛星上兩個不同鏡頭拍攝的照片組合而成的。中央白色圓圈,代表太陽的大小與位置。

附圖六、日蝕時所拍到的彩色照片。藍色是太陽的大氣日冕,粉紅色就是日珥。

附圖七、太陽與日磁層觀測(SOHO)人造衛星,鎖定一組比較接近可見光的紫外光來拍攝太陽,可以看到低溫的色球層(呈現類似米粒狀的組織)、日珥(圖中左上與左下兩個浮出太陽表面的強磁場區)等結構以及部分溫度比較低的日冕結構。