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狂歡的太陽?

今年的2/14、2/15對華人來說是重大的日子──小年夜和除夕,這兩天會拿來陪伴重要的人們,不論是許久不見的親人,還是最親密的伴侶;但你知道嗎,同樣這兩天,太陽也在和我們一起慶祝著、狂歡著,像是喝醉酒般興奮地玩樂,為什麼這樣說呢?
因為它也在這兩天,像興奮過頭的孩子把玩具亂丟一樣,到處撒下帶電粒子,這些帶電粒子會有一部分飛往地球。這些帶電粒子對我們造成的影響,最眾所皆知的就是在高緯度地區令人嚮往的極光──這些帶電粒子會在地磁的影響下向地球兩極移動,在極區進入大氣層,碰撞氣體分子,使分子內的電子躍遷(從低能階跳到高能階),此時分子由基態轉變為激發態;因為激發態的分子並不穩定,所以分子想變回基態的狀態,電子躍回原軌道(從高能階跳到低能階),同時將能量以光的形式放出。而這就是我們所知的極光。

那麼,太陽會什麼會釋出帶電粒子呢?

這個現象叫做「太陽風」,要了解太陽風的成因,就要先對太陽的結構有所了解:太陽由內而外是中心、輻射層、對流層、光球層、色球層、日冕,中心有極大的溫度與壓力,是核融合發生處,提供維持太陽這顆恆星所需的能量,輻射層和對流層將能量帶到光球層,有趣的是,光球層外部的色球層和日冕,雖然光度較低,但溫度卻比較高,這點到目前仍是未解之謎。

太陽結構[2]太陽表面溫度[3]在2/12,發生了一次太陽閃焰(solar flare),此時,帶電粒子會被加速、噴離太陽表面。這次太陽閃焰的發生,噴出的帶電粒子,也會影響太空船的飛行,以及少許人造衛星的運作。

紫外光/可見光下的閃焰[4]太陽閃焰和太陽黑子的關係十分密切,那太陽黑子又是什麼呢?太陽黑子是光球層上的低溫區域,相較於光球層,黑子的溫度只有約4000 K,因此看起來比較暗,但是根據觀測,黑子的磁場比太陽平均磁場強上千倍,而且經常成雙成對出現,於是科學家推測,一對黑子出現時,一個是磁北、一個是磁南,而磁北磁南之間會產生磁場。太陽各區域的磁場交互影響,當磁場的改變到達一定程度,又遇上電流,因為電流經過周圍也會產生磁場,就會使被原先磁場束縛住的帶電粒子,高速向外噴發。

成對的黑子



當這些帶電粒子被拋入宇宙,如果他們是朝向地球而飛奔而來,那NOAA便會預報太空天氣,告訴大家這次的太陽風暴程度、影響範圍,工程師就會關閉一些較沒那麼重要的系統,以及為未來地球可能發生的狀況(像是通訊系統失靈,因為大量帶電粒子會干擾電離層,而電離層是傳輸訊息的重要媒介)。

今年夏天,NASA將讓Parker Solar Probe升空,在飛掠金星多次後,將進入日冕,目的是更近地觀測太陽活動,以及太陽噴發出的粒子。





原始資料:

https://www.space.com/39706-a-solar-storm-is-approaching-earth.html

參考資料:

http://www.phylearning.org/universe/lectures/chap11.html

http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/New_page/e_book/sun/captions/solar_flare.html

http://www.baike.com/wiki/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E9%A3%8E%E6%9A%B4

圖片來源:

[0] https://www.space.com/39706-a-solar-storm-is-approaching-earth.html

[1] https://www.everfuntravel.com/promo/special/aurora/

[2] http://www.phylearning.org/universe/lectures/chap11.html

[3] http://www.phylearning.org/universe/lectures/chap11.html

[4] http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/New_page/e_book/sun/sun.html  

[5] http://www.phylearning.org/universe/lectures/chap11.html

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