太空物理與氣象

看看太空環境如何影響我們的氣候

  我們都知道,氣象是研究地表「中性大氣」的運動、水汽的分布,以及它們所造成之風、雲、雨、雪等天氣現象。可是隨著高度增加,大氣愈來愈稀薄。到了地表上空約八十公里左右的區域,大氣中的原子與分子吸收了來自太陽的短波輻射,原子結構中最外圍的「價電子」,可能因此脫離原子核的束縛,成為「自由電子」。而原來中性的原子與分子則變成了帶正電的「正離子」。由於此處大氣太稀薄了,這些正離子與電子,一時之間(十二小時內)很難再遇上一位異性,「重新結合」,還原成中性原子或分子。因此在這個高度的大氣,就會經常地保持著中性粒子、正離子、與電子,共存的「部分游離態」。這樣的大氣成分,因為含有帶正、負電荷的粒子,它的運動就會受到電磁場的影響,當然反過來,電荷的運動,也可以產生新的電場與磁場。這樣的介質就是一種「電漿」。「電漿態」是在物質被加熱後由「固態」、而「液態」、而「氣態」,而進一步可能出現的第四種物態。日常生活中常見的「電漿態」如:火、閃電、霓虹燈與日光燈管內發光的氣體,這些都是部分游離的低溫電漿。

  地表上空約五十到八十公里的區域,在白天時為部分游離的電漿態,到了夜晚又還原成中性大氣。地表上空八十到一、二千公里的區域,由於「重新結合率」很低,因此白天與晚上都能維持著「部分游離的電漿態」。地表上空約二千公里以上的大氣中,中性粒子所占的比例甚低,幾乎是「完全游離」的電漿態。習慣上,太空電漿物理學家將地球的高層大氣,依照其物理特性的不同,區分為:由「部分游離電漿」所組成的「電離層」,以及由「完全游離電漿」所組成的「磁層」。依照這種區分原則,地球的電離層,在白天時約位在地表五十到二千公里的區域,到了夜晚時約位在地表八十到二千公里的區域。地球的磁層則由地表二千公里起,一直到地球的「磁層頂」。這些地球的電漿被地球的磁場束縛住,不輕易與來自太陽的電漿相混合。「磁層頂」就是「地球的磁場與電漿」和「太陽的磁場與電漿」交界的邊界層。磁層頂所包圍的地球磁層長得很像彗星的外型──有「頭」有「尾」。在靠近太陽,頭的那一側磁層頂位置,距離地球約十個地球半徑。至於背陽那一側「磁尾」的長度,距離地球則可達約兩百到一千個地球半徑。至於這根尾巴有多粗?理論上「磁尾」截面積的半徑大約為二十到三十個地球半徑。太空船觀測結果顯示,幾乎所有具有磁層的行星,它們的磁層外觀都和地球的磁層相似,只是大小不同罷了。這些「磁尾」的形成,都是因為行星際空間中充滿了一種來自太陽表面的高速電漿流,我們稱它為「太陽風」。至於彗星之「電漿尾」的形成,則與「太陽風」以及「行星際磁場」都有密切的關係。(註:目前九大行星中,只有金星和火星幾乎沒有磁層。金星有電離層和電離層尾。冥王星則缺乏觀測資料,不確定是否有磁層。)

  由以上的介紹大家可以了解到,為什麼科學界將「太空物理」與「氣象」都視為是「地球科學」的一部分。雖然太空物理研究的範圍,包括了日磁層所籠罩的「行星際空間物理」。但是目前全世界大約百分之七十以上的太空物理研究,仍是以地球的磁層與電離層為主要的研究對象。而我們之所以要研究太陽表面以及行星際空間物理,也是因為地球磁層內的磁場擾動與太陽表面和行星際空間中電漿與磁場的擾動,息息相關。這就好像研究台灣的天氣變化,不能只看台灣上空的大氣運動,而必須考慮來自大陸的冷氣團、鋒面,以及來自南太平洋的颱風。

  近年來,由於科技的發展,人類也愈來愈會感受到太空中電磁場擾動對日常民生的影響。例如,上億美元的通信衛星,以及各種從事科學研究的人造衛星,都曾因為突來的地磁擾動,而毀於一旦。而目前越來越流行之「全球定位系統」,是否會受到電離層電子密度的擾動而產生誤差、影響定位準確度,也是「全球定位系統」使用者,必須了解的一項事實。因此,「太空天氣預報」,已逐漸成了一項新興的課題。一般說來,「太空天氣預報」所應考慮的事項包括了:太陽表面巨大的磁場與電漿擾動、行星際空間中電漿與磁場的變化、以及磁層頂是否會破開一個口,讓日磁層的能量得以大量的灌入地球磁層。至於有一天,如果人類太空站移民的夢想真的實現了,在缺乏地球磁層與電離層的保護下,太陽表面任何一個中尺度的磁場與電漿擾動,都可能對太空站的移民造成重大的輻射傷害。因此在發展太空站移民以前,我們一定先認清我們的太空環境,千萬不要以為太空只是一個「空無一物」的地方。


太空環境如何影響我們的氣候:

  太空環境是否會影響我們地表的天氣變化,這也是一個令人感到好奇的話題。有人由統計上的結果提出一項說法,認為地球上的天氣變化會受到「太陽黑子」出現量的影響,而有十一年的週期變化。但是不少氣象學家卻認為太陽黑子的出現對日照量的影響微乎其微,因此不應該影響到地球上的天氣變化。至於統計上的結果,應該只是一種巧合。可是太空物理學家對於這項統計結果,卻有不同的看法。事實上太陽黑子數目多時,「白斑」的數量也相對增加,因此總日照量反而隨著「太陽黑子」數目的增加而增高。但是問題的癥結,不是在「日照量」,而是在「成雲量」。由於「太陽黑子」數目增加會導致太陽表面磁場擾動量的增大,許多「日冕物質噴發」,在日磁層中造成大量的「磁雲」,磁雲中旋轉的磁力線可阻擋外太空超新星爆炸所產生的「宇宙射線」進入地球所在之日磁層內部。反之,隨著「太陽黑子」數目減少,太陽表面磁場擾動量以及日磁層中的磁雲量也隨之減少。於是來自外太空宇宙射線便得以長驅直入,進入我們的磁層、電離層、以及中性大氣中。這些帶電的宇宙射線是一種相當好的「凝結核」,因此雲很容易就形成了。雲除了造成降雨和雪外,同時也反射陽光,使得地面氣溫下降,因此「太陽黑子」數目最少的那幾年,地球上平均溫度會下降,發生水災和大風雪的機會也同時增加。這個結果也說明了太空物理學家對太陽黑子、日冕物質噴發、以及日磁層中磁雲的研究有助於人類對影響地球氣候因子的認識。根據大西洋海底地質的資料顯示,地球的磁場每隔數百萬或數十萬年,一定會反轉一次,。如今距離上一次地磁反轉約五十萬年。當地磁反轉的那一、二千年中,地球上的生物就不再受到地球磁層的保護。來自太陽以及外太空的高能粒子,是否會傷害地表生物?或造成基因突變?或提供過多的凝結核而改變地球氣候?這些太空物理現象,就像天文中彗星撞木星一樣,都是值得研究生物進化以及想要延續人類歷史的學者所應該深思的課題。



作者:
呂凌霄 國立中央大學太空科學研究所 lyu@jupiter.ss.ncu.edu.tw