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日冕物质抛射

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這段影片顯示日冕物質拋射的粒子流撞擊時會環繞著地球。
太陽圈物理
現象

日冕物質拋射coronal mass ejection,CME)是太陽風和磁場突然噴發質量至太陽的日冕之上或進入太空中[1]

日冕物質拋射往往與其他形式的太陽活動連結在一起,最引人注目的是閃焰,但並沒有因果關係。大多數的拋射起源於太陽的表面,像是與頻繁的閃焰相關聯的太陽黑子。在接近太陽極大期時,每天大約有三次的日冕物質拋射,而在太陽極小期,每五天也會有一次的日冕物質拋射[2]

敘述[编辑]

在太陽表面的活躍區升起的弧。

日冕物質拋射從太陽表釋放出大量的物質與電磁輻射進入太空,無論靠近的日冕(有時稱為日珥),或遠到行星系統,還是更遠(星際CME)。拋射出的物質是電漿,主要成分是電子質子,但可能還包括少量的重化學元素,像是氦、氧、甚至是。這些重元素只是理論上的推測,還需要進一步的查證。CME極不可能包含大量的任何一種重元素,尤其是考量到太陽尚未演化到氦閃的階段,因而還不能融合出比氦重的元素。

日冕物質拋射與日冕磁場的造成巨大變化和擾動相關聯。它們通常使用白光日冕儀來觀測。

成因[编辑]

當前科學的研究[3][4]已經顯示磁場重聯的現象是CME和閃焰的主要原因。磁場重聯是相對於兩個定向磁場重新排列結合在一起的名詞,在這種重新排列的重中,原本儲存在方向彼此相反磁場中的能量會被突然釋放出來。

在太陽,磁場重聯可能發商在太陽拱橋 -一系列密接的磁力線迴圈。這些磁力線很快地重聯進入更低的拱橋迴圈,留下沒有與剩餘的拱橋聯結的螺旋磁場。在重聯結中突然放的能量造成了閃焰。無關聯的螺旋磁場和它包含的物質可能會猛烈的向外擴張,形成CME[5]。這也解釋了為什麼日冕物質拋射和閃焰通常都在太陽磁場比平均值更強的活躍區爆發。

在2012年10月8日早晨橫跨魁北克安大略極光

對地球的衝擊[编辑]

當拋射的方向是朝向地球,並且成為行星際物質拋射(ICME,interplanetary CME)時,大規模的太陽高能粒子伴隨著的激波會造成磁暴,擾亂地球的磁層,壓縮白天的這一側,並延伸夜晚那一側的磁尾。當在夜晚側的磁氣層重聯,將釋放出兆瓦級規模的能量,這些能量會直接回流至地球的高層大氣

太陽高能粒子會在圍繞著地球兩磁極的廣大區域內形成特別強烈的極光,發生在北半球的稱為北極光(aurora borealis),在南半球的稱為南極光(aurora australis)。日冕物質拋射與伴隨著其他來源的閃焰,可以擾亂無線電傳輸和對人造衛星輸電線路造成損害,導致大規模與潛在極長時間的停電[6][7]

在太空或高海拔的人類,例如在飛機上,曝露在宇宙射線下的風險也比較高,而高劑量的宇宙射線潛在著致命的風險。傳統太空船的設計不能遮蔽射線,與降低太空人接受的劑量。如果能為太空人提供任何的保護,則它會在能量吸收的事件上改變微觀上的不均勻性[8]

物理性質[编辑]

2010年8月一系列CME的影片。
File:LASCO20011001.gif
使用儀器LASCO觀測的一系列日冕物質拋射縮時影像。太陽(在中心)被一個日冕儀的遮罩遮蔽掉(2001年9月30日至10月1日)。

典型的日冕物質拋射結構可以分成三部分:包含一個低電子密度洞、高密度的核(日珥,在日冕儀的影像中嵌入在洞內,呈現明亮的區域)、和一個明亮的前沿。

其結構明顯,但是許多的日冕物質拋射都欠缺其中一項元素,或甚至三項都沒有。

大多數的拋射起源於太陽表面的活躍區,像是與頻繁的閃焰相關聯的太陽黑子。這些區域的磁場線是封閉的,磁場強度足以抑制住一些電漿的活動。拋射物質必須先將這些場線打破或削弱,才能從太陽逃逸。然而,CME也可能出現在寧靜的表面區域,不過大多數情況是這些寧靜區之前都是活躍區。當太陽極小期,日冕物質拋射主要出現在太陽磁赤道附近的冕流帶;當太陽極大期時,它們起源於活躍區,在緯度上的分布也更加均勻。

依據SOHOLASCO在1996年至2003年的測量,日冕物質拋射的速度範圍從20公里秒-1至2,700公里秒-1,平均速度是489公里秒-1。以日冕儀的影像為基礎的平均質量為1.6×1012公斤。由於日冕儀的影像的測量本質是二維空間,因此這只是質量下限。拋射的頻率與太陽週期有關:從太陽極小期的每五天一次到太陽極大期的每天3.5次[9]。這些數值也是下限,因為在太陽背向地球那一側的日冕物質拋射是不可能被日冕儀偵測到的。

目前所知的日冕物質拋射的運動學顯示,日冕物質拋射在開始加速度階段的前期特徵是緩慢的上升運動,隨後的期間以很快的加速度脫離太陽,直到達到接近恆定的速度。有些像「氣球」的CME,通常是速度最慢的,缺乏這三個階段的演變,反而是在飛行的過程中緩慢和持續的加速。即使日冕物質拋射有一個定義明確的加速度階段,但通常都欠缺初期加速度階段,或許是未被觀測到。

與其他太陽現象的關聯[编辑]

一段日珥正在發展階段的影片。

日冕物質拋射經常與其他的太陽活動現象聯繫在一起,值得注意的有:

  • 耀斑
  • 日珥爆發和X射線纏繞(sigmoid)
  • 日冕昏暗(在太陽表面長時期的亮度衰減)
  • 極紫外影像望遠鏡(EIT)和莫爾頓波
  • 日冕波動(來自噴發地點的明亮擴散前緣)
  • 駐地噴發拱(post-eruptive arcades)

日冕物質拋射與這些現象的聯繫是很普通的,但是還沒有被充分的了解。例如,日冕物質拋射和閃焰最初被認為是直接相關聯的,閃焰驅動著日冕物質拋射,但是只有60%的閃焰(M極和更強的)才和日冕物質拋射有關聯[10] ;相似的,許多日冕物質拋射與閃焰無關。現在認為日冕物質拋射和閃焰是由共同的原成因造成的(日冕物質拋射加速度的峰值與閃焰輻射的峰值經常是一致的)。一般而言這些現象(包括日冕物質拋射)都被認為是磁場結構大規模變動的結果。

日冕物質拋射的模式[编辑]

起初,認為日冕物質拋射被爆發閃焰的熱所驅動,但是很明顯的有許多日冕物質拋射並未與閃焰聯繫在一起,並且日冕物質拋射幾乎都是在閃焰出現之前就已開始。由於日冕物質拋射發生在太陽的日冕(由磁能主導)之中,其能量來源一定在磁場中。只有閃焰能提供足夠的熱能驅動日冕物質拋射,而且無論如何閃焰也是從磁場中獲得能量。

因為日冕物質拋射的能量是如此的高,它不太可能由光球中湧現的磁場能量直接來驅動(雖然這還是其中的一種可能),因此多數日冕物質拋射模型都假設儲存在日冕磁場內的能量在一段穩定的時期後,因為一些磁場中因不穩定或是失去平衡而突然被釋放出來。目前對於釋放的正確機制仍沒有一致見解,而且目前的觀測也不足以對這些模型做適當的規範。

行星際的日冕物質拋射[编辑]

日冕物質拋射通常在1至5天內就會從太陽抵達地球。在傳播過程中日冕物質拋射會與太陽風行星際磁場產生交互作用。其結果是,慢速的日冕物質拋射會被太陽風加速至接近太陽風的速度,而快速(速度超過500公里秒-1)的日冕物質拋射則會產生震波。這些震波發生在日冕物質拋射的速度在太陽風的框架內移動的速度比當地的磁聲波快的地區,這些震波層經被日冕儀直接觀測到[11]。在日冕同時會釋放出第二型的無線電爆發,它們的形成有時低於2Rs太陽半徑),它們也與太陽高能粒子的加速有關。[12]

STEREO任務[编辑]

在2006年10月25日,NASA發射了STEREO衛星,兩艘幾乎一模一樣的太空船,相隔開足夠遠的距離,因此能夠在軌道上觀測到日冕物質拋射的立體影像,和進行其它太陽活動現像的測量。這兩艘太空船各在地球前方與後方,與太陽的距離和地球相似。它們之間的距離將會逐漸的增加,大約在4年之後會在軌道上相對的位置上(相距180度)[13]

大眾文化[编辑]

麥可·克萊頓的長篇小說剛果中,太陽物質拋射打斷了剛果研究小組的電腦將資料經由衛星傳回休斯頓的傳輸作業。第二型的無線電輻射是1996年,完美藝術團體假情報的記錄和展覽,用來佈置看台和通道的「星門」LP和CD的主題(參见假情報 (藝術和音樂計畫)條目)。

特別巨大的日冕物質拋射出現在《亞特蘭提斯》劇情的《星門的迴響》中。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Christian, Eric R. Coronal Mass Ejections. NASA.gov. 5 March 2012 [9 July 2013]. 
  2. ^ Nicky Fox. Coronal Mass Ejections. Goddard Space Flight Center @ NASA. [2011-04-06]. 
  3. ^ Coronal Mass Ejections: Scientists Unlock the Secrets of Exploding Plasma Clouds On the Sun. Science Daily. 
  4. ^ [1] NASA Science
  5. ^ "The Mysterious Origins of Solar Flares", Scientific American, April
  6. ^ Baker, Daniel N., et al.. Severe Space Weather Events – Understanding Societal and Economic Impacts: A Workshop Report. National Academies Press. 2008: 77. ISBN 978-0-309-12769-1. "These assessments indicate that severe geomagnetic storms pose a risk for long-term outages to major portions of the North American grid. John Kappenman remarked that the analysis shows "not only the potential for large-scale blackouts but, more troubling, ... the potential for permanent damage that could lead to extraordinarily long restoration times."" 
  7. ^ Wired world is increasingly vulnerable to coronal ejections from the Sun, Aviation Week & Space Technology, 14 January 2013 issue, pp. 49–50: "But the most serious potential for damage rests with the transformers that maintain the proper voltage for efficient transmission of electricity through the grid."
  8. ^ Wilson, J. W.; Wood, J. S.; Shinn, J. L.; Cucinotta, F. A.; Nealy, J. E. A proposed performance index for galactic cosmic ray shielding, materials. Washington, DC: NASA; Report No. TM-4444; 1993a
  9. ^ Carroll, Bradley W.; Dale A. Ostlie. An Introduction to Modern Astrophysics. San Francisco: Addison-Wesley. 2007: 390. ISBN 0-8053-0402-9. 
  10. ^ Andrews, M. D., A search for CMEs associated with big flares, in Solar Physics, 218, p 261-279, 2003
  11. ^ Vourlidas, A., Wu, S.T., Wang, A. H., Subramanian, P., Howard, R. A. "Direct Detection of a Coronal Mass Ejection-Associated Shock in Large Angle and Spectrometric Coronagraph Experiment White-Light Images" in the "Astrophysical Journal", 598, 2, 1392-1402, 2003
  12. ^ Manchester, W. B., IV, T. I. Gombosi, D. L. De Zeeuw, I. V. Sokolov, ;, oussev I., I., K. G. owell, J. Kóta, G. Tóth, and T. H. Zurbuchen 2005a Coronal Mass Ejection Shock and Sheath Structures Relevant to Particle Acceleration. The Astrophysical Journal, Volume 622, Issue 2, pp. 1225-1239. 622 2: 1225-1239.
  13. ^ Spacecraft go to film Sun in 3D BBC news, 2006-10-26

進階讀物[编辑]

Books
  • Gopalswamy, Natchimuthukonar; Mewaldt, Richard A; Torsti, Jarmo (编). Solar Eruptions and Energetic Particles. Geophys. Monograph Series. Am. Geophys. Union. 2006. doi:10.1029/GM165. ISBN 0-87590-430-0. 
Internet articles

外部鏈結[编辑]