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日地关系

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  太阳物理学和地球物理学之间的边缘学科,研究太阳活动产生的太阳短波辐射和粒子流对地磁场、电离层的影响,同时也研究太阳辐射、太阳活动和气候变化之间的相关性。
  太阳活动对地球电离层的影响 
  在太阳紫外线、X射线、粒子辐射的作用下,在离地面80~100公里、100~120公里、150~500公里的三个层次内的地球大气分子全部或部分电离,形成称为D层、E层、F层的电离层,其中F层又可分为F1层(150~250公里)和 F2层(250~500公里)。太阳活动增强会引起地球大气分子进一步电离,造成离子浓度增高,使电波吸收增强。在太阳耀斑爆发后,会出现一系列的电离层效应。
  电离层突然骚扰(简称SID)  主要是由1~10埃的太阳软X射线爆发引起的。表现为D层电离度急剧增加,引起地球向阳的半球上短波(波长为10~50米)和中波(波长为200~300米)无线电信号立即衰减或完全中断,但一般只持续几分钟到1个小时。与此同时,长波和超长波信号则突然加强。这种突然骚扰有如下五种情况:
  ①宇宙噪音突然吸收 在一般情况下,宇宙射电噪音穿过D层可以到达地面,在耀斑发生时,可用噪音探测仪在白天记录到电离层对宇宙噪音的吸收加强。对于已知强度的宇宙噪音,测量接收到的强度就可知道电离层吸收的程度,从而得出电离层的电离度。
  ②天电突然加强和信号突然加强 耀斑发生时,D层电子浓度急剧增大,电波射入 D层的深度降低,甚至会发生类似光线在镜面上反射的现象,吸收因而减弱。此时,天空经常存在的由远方雷电造成的极低频(10~50千赫)信号(天电),反而加强。通常在27千赫波长反应较为灵敏。同理,来自远方发射台的靠 D层反射传播的长波和超长波(频率一般是15~50千赫)信号也会因此增强。
  ③太阳耀斑地磁效应,又称磁勾或磁绒 在电离层发生突然骚扰期间,E层的底部电离度突然增加,持续达数小时,使 E层的导电率随之增加,大气里的电流增大,从而产生感应磁场,使地磁强度发生突然变化,在地磁仪上可记录到小的起伏,称为磁勾。
  ④甚长波突然位相反常 甚长波的地波和由 D层反射的甚长波天波之间有一定的位相差,当电离层发生突然骚扰时,D层反射高度下降,这时天波和地波之间的位相差突然改变,叫作突然位相反常。利用这种效应可以测量电离层反射顶的高度。
  ⑤短波衰减(简称SWF) 耀斑的X射线使 D层的电离度突然增加,因为D层的大气密度比F层大几万倍以上,所以电子与中性粒子碰撞的次数非常多。经过D层射向E层、F层并反射回地面的短波,经过D层时把能量传给了电子而受到强烈的吸收,因而发生短波衰减,甚至中断。
  在耀斑发生时由远紫外辐射增强引起的电离层突然骚扰有如下两类:
  ①频率突然漂移 耀斑发生时,E层和F层电离度突然增大,接受到的由F2层反射的电波的频率突然增加,到达一个峰值后,又衰减到原来的频率,有时会产生几个峰值。
  ②F2层临界频率增加。
  耀斑的高能粒子造成推迟的电离层效应  这一复杂现象分为两类:
  ①极盖吸收 耀斑产生的高能粒子(主要是质子)被地磁场引导到高磁纬地区,使D层电离度增加,导致中频、高频和甚高频带的无线电波的强烈吸收,称为极盖吸收。结果使高纬度雷达工作和无线电通讯处于“极区吸收”。它可以持续几天,并且可能造成信号中断。
  ②极光带吸收 通常包括在极盖吸收事件里。观测到的频率和极盖吸收一样,仅仅在覆盖的地区、和耀斑发生的相关时间、粒子种类和能量方面与极盖吸收不同。

  太阳活动和太阳宇宙线  耀斑发生时发射出1~1,000兆电子伏能量的带电粒子(主要是质子),因此具有能量为 1兆电子伏以上的太阳宇宙线事件常被称为太阳质子事件。美国物理学家福布希在1946年分析了 1942年2月28日、3月7日和1946年7月25日三次宇宙线 μ介子记录表现出的反常增强而发现了太阳宇宙线。这三次事件均与太阳大耀斑有关。太阳大耀斑的第四次宇宙线事件是1949年11月19日用中子探测器观测到的。第五次宇宙线事件发生在 1956年2月23日的大耀斑后,对这次事件,各个台站间的记录有很大的差异,证明宇宙线在行星际空间的传播是各向异性的。与这次事件有关的耀斑,伴随有白光连续辐射和Ⅳ型射电爆发(见太阳射电爆发)。太阳宇宙线伴随Ⅳ型射电爆发,意味着高能电子和太阳宇宙线质子同时加速。人造卫星观测也证实太阳质子事件和耀斑高能电子事件是相联系的。
  太阳宇宙线地面增强事件是不多见的,1942~1973年期间共观测到25次。除了两次例外,其他23次都同3级或 4级的大耀斑有关。能量较低的极盖吸收事件次数要多一些,在1952~1973年期间,相当于30兆赫吸收达2.5分贝以上的事件有77次。引起这些事件的耀斑在日面上的分布是不均匀的,比较集中在日面的西半边,对于宇宙线地面增强事件来说就更加明显,这同因太阳自转而造成的行星际磁场的磁力线的走向有关(见太阳磁场)。
  太阳活动对地磁的影响  影响最大的是磁暴。在中纬度和低纬度地区有一种典型的磁暴,它可分为四个不同的位相,即急始、初相、主相和恢复相。还有一种类似于急始磁暴的瞬时扰动,它有较小的振幅和较不明显的突然性,这似乎来自激波或其他间断性的行星际物质源引起的地球磁层突然的压缩和膨胀。
  此外,某些地磁扰动还有27天重现的现象,这是日地关系中最富有挑战性的课题之一。自从1932年巴特尔斯提出太阳上存在M区作为重现性磁扰源以来,此问题长期未得解决。直到七十年代,从太阳X射线和空间探测结果才确定这个能持续发射低能粒子(高速太阳风)的源泉是冕洞
  太阳活动和地球气候变化的关系  太阳辐射和太阳活动现象随着时间的变化引起地球上气候的变化。这种因果关系目前虽然没有查明,但从统计材料分析,二者肯定是有关的。
  太阳活动对气候影响的研究,已有将近180年的历史。1801年英国天文学家F.W.赫歇耳第一次提到,当太阳黑子少时,地面上的雨量也减少。这是在发现太阳黑子11年周期前关于太阳活动和气候关系的最早论述。此后,瑞士天文学家R.沃尔夫研究了黑子相对数和苏黎世城历史上气象要素的关系,发现黑子多时气候干燥,农业丰收,反之,黑子少时气候潮湿,暴雨成灾。近年来,国际上对这个问题研究的兴趣与日俱增。
  太阳活动对气候变化影响的统计研究  从图1、2、3中可以看出太阳活动与气象的关系。图1表示北半球三个不同地理纬度带的降水量和黑子相对数之间的关系,可看出它们都具有11年周期。图2虽然也表示降水量和黑子相对数的关系,但反映了太阳黑子周期中的22年磁周。图3是大气环流型和太阳活动的关系,反映出太阳活动的80年周期。

  

  太阳活动对气候变化影响的物理解释  太阳对地球大气的影响,从直观来看,就是太阳的总辐射量或是某种特殊辐射(如 X射线、紫外线等)量的长期变化或瞬时变化在大气中引起的影响。前者以太阳常数的测量作为衡量标准,后者则要借助于空间探测器和地面的各种观测仪器才能得到比较完整的资料。对太阳常数的长期测量结果证实它的变化小于 1%。空间探测也表明太阳常数变化是很微小的。按照一般推测,全球气温变化1°需要太阳常数变化1%,因此,全球性的气候变化似乎不能用太阳常数的变化来解释。
  另一种观点认为影响气候的原因可能是某种特殊辐射或粒子流的变化。它们在11年周期中变动很大,有的相差几十倍。这些增加的能量,通过直接或间接的方式传输到地球低层大气就可能影响气候的变化。二十世纪六十年代以来,在日地空间发现了太阳风和行星际磁场的扇形结构以及磁层。这些发现为上述的观点提供了有利的依据。一些研究者设想太阳风把能量经过磁层直接传递到地球大气中而引起气候变化,这就是通常所说的直接耦合机制。另一些研究者认为,直接能量耦合不足以驱动低层大气的运动,应该有某种“触发机制”或是“放大机制”,把在高层大气中的较小能量扰动转变成在低层大气中的较大能量扰动,这就是通常所说的间接耦合机制。这两种机制的具体过程目前仍在探索。
  太阳和天气关系研究的重大进展  天气变化基本上取决于对流层中的快速过程,其时间尺度远比气候变化为短。据几十年的统计证明,太阳的某些快速活动过程对天气有明显的影响。如图4所示,在孤立磁暴发生后三、四天内,欧洲和苏联的一些地区气压增加,而另一些地区气压减小。图5反映1964~1970年的6个冬季内扇形边界受太阳风影响 54次扫过北半球时的涡度变化:a的实线为边界磁场极性从向日转为背日时的情况,虚线为反向转换时;b的实线为前半季的情况,虚线为后半季;c的实线为前三年的情况,虚线为后三年。

 


  这些新发现,开辟了天气学研究的新领域,为改进天气预报展示了广阔的前景。为了说明太阳和天气关系的物理背景,已提出了几种机制。例如海因斯曾设想由磁层对流产生的力矩能引起热层以上高层大气的环流状况的变化,而这种变化又会改变其中行星波的反射系数。这样,行星波就会通过反射把多余的能量从高层大气带回到低层大气中来,促使涡度产生变化。特别有趣的是从大气电学角度所作的解释。图6所示的大气全球电路,这条电路从电离层到地面,经过雷暴回到电离层。当耀斑发生或磁场扇形边界扫过地球时,发自太阳的增强电离辐射改变了雷暴到电离层之间的电阻,因而使雷暴活动增强。伴随着雷暴增强,还有云的形成和降水等一系列过程。同时,这些过程中释放出来的巨大潜热,又推动大气环流变动,进而造成涡度的变化。

  参考书目
 S.I.Akasofu and S.Chapman,Solar-terrestrial physics, Oxford Univ.Press,London,1972.
 A.P.Mitra,Ionospheric effects of Solar flares,D.Reidel Publ.Co., Dordrecht, Holland,1974.

 

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