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常州大学天文社

仰观苍穹知天文,俯察众生闹凡尘;细推物理须行乐,何用浮名绊此身!

 
 
 

日志

 
 

卡灵顿事件  

2011-04-18 15:10:32|  分类: 基础知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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卡灵顿事件

  历史上有记载的最严重的一次太阳风暴发生在1859年。太阳风暴“烤焦”了电报系统。当年,世界主要还依靠蒸汽机和肌肉劳力在运转,所以并没有对人类带来过于严重的灾难。天文学家理查德·卡灵顿(Richard Carrington)因为最先发现这一现象,因此这次太阳风暴被称为“卡灵顿事件”。

卡灵顿事件——发现

    

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 德国天文学家卡林顿记录的太阳耀斑,可能是迄今最强的一次。

  19世纪,英国有一位叫理查德·卡灵顿的天文爱好者。他很有钱,在伦敦附近造了一幢房子,里面建有一间天文观测室。他就在这间自己的天文观测室里日复一日地观测太阳,描绘着太阳表面的黑子。他把太阳的像投影在一块屏幕上,小心翼翼地把所看到的情况描绘下来。

  卡灵顿决心通过观测太阳黑子,确定出准确的太阳自转周期。功夫不负有心人,他终于发现,太阳黑子沿日面移动一周的时间因纬度不同而各不相同。在太阳赤道上黑子大约只要25天便在日面上转一周,而在日面纬度45度处的黑子则需要27天半才在日面上转一周。卡灵顿的发现,彻底否定了当时有的天文学家提出的太阳是个固体球的理论,说明了太阳在个气体球。

  卡林顿通过自己的观测,追踪太阳黑子在整个为期11年的活动周期里的变化,看着它们变得越来越多而进入极大期,然后又逐渐消失而进入极小期。在此过程中,他发现,随着这一活动的周期变化,不但黑子的数量发生变化,而且分布的位置会向太阳的赤道移动。每当一个太阳活动周期开始时,最先出现的黑子总是在离赤道较远处,平均纬度为35度;然后黑子出现的位置渐渐靠近太阳赤道,在纬度10度到25度之间频繁出现;最后,当这个活动周期临近结束时,所有的黑子都集中到南、北纬约5度处。

  1859年9月1日,早晨,卡灵顿观测太阳黑子时,发现太阳北侧的一个大黑子群内突然出现了两道极其明亮的白光,在一大群黑子附近正在形成一对明亮的月牙形的东西。他从来没有看到过像这样的东西。他很兴奋,冲出观测室,想找个人来证明他的发现。可是,楼里空无一人,而当他急忙回到望远镜旁时,吃惊地发觉刚才所看到的东西已经消失。

  卡灵顿向英国皇家天文学会报告:“我看到这次爆发非常迅速地增强。当时,我因为感到吃惊而有点慌乱,急忙跑出去想叫一个人为我的这一发现见证。过了不到60秒钟我又跑回来了,却窘住了,原先看到的爆发现象已经大为改观,变得很微弱了。此后,仅过了很短的一段时间,最后的痕迹也消失了。”

幸好,另一位英国天文学家霍奇森也看到了这次太阳爆发,并向英国皇家天文学会报告了他的观测结果。不过,人们还是把发现的荣誉给了卡灵顿,称这次事件为“卡灵顿事件”。[1][2]

卡灵顿事件——威力

    

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 2006年GOES-13卫星拍摄一次太阳耀斑,记录这个耀斑的仪器被烧坏。

  就在卡灵顿第一次观测到太阳耀斑爆发后的几分钟内,英国格林尼治天文台和基乌天文台都测量到了地磁场强度的剧烈变动。然后,在17个半小时以后,地磁仪的指针因超强的地磁强度而跳出了刻度范围。差不多同时,各地电报局电报机的操作员报告说他们的机器在闪火花,甚至电线也被熔化了。

  而且,在这天夜里,天空中五颜六色的北极光一直向南弥漫到古巴和夏威夷。卡灵顿几乎肯定地认为这些事件都与他发现的耀斑爆发有关。

  太阳耀斑爆发引起的太阳风暴,是一种从太阳大气上层爆发出来的太空风暴,大量的带电粒子以极高的速度吹向太阳系空间。如果太阳风暴恰好朝着地球吹来,在到达地球附近空间时,就会在地球上造成一系列事件。通常,一次耀斑爆发之后,粒子到达地球的时间大约是30小时。

卡灵顿事件——成因

    

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太阳风暴

  一次太阳耀斑爆发,在短短的一二十分钟内释放出的能量,与平时整个太阳1秒钟内释放出的总能量相当。因此,有人把太阳上的这种活动比喻为太阳“打喷嚏”是很形象的。

  由于太阳是个炽热的气体球。太阳像地球一样有磁场,它的磁场比地球的磁场强数千倍。地球主要由固体的岩石和金属组成,因此它的磁场基本上没有什么大的变化。而太阳则完全不同,赤道附近的自转周期短,纬度越高的地方自转周期越长,于是它的磁场就会随着自转运动而弯曲和缠绕起来,从而造成种种活动现象。

  为了形象地展示太阳磁场的上述特性,可以把太阳的磁场想像成一条条穿过太阳的“磁感线”。关于磁感线,在中学物理实验课上已经有所认识。把铁屑撒在一块磁铁的四周,这些铁屑就会排列成一幅规则的图案,可以看到一条条曲线从磁铁的一端伸向另一端。这些曲线就是我们想像中的磁感线。

  然而,在太阳上,由于太阳赤道上的气体的自转远比两极附近的气体快,磁感线就会发生弯曲。随着太阳不断地自转,磁场弯曲得越来越厉害。太阳磁场不能永远保持扭曲的状态,在少数磁感线最集中的地方,也就是磁场最强的地方,成束的磁感线开始缠结在一起,捅破太阳表面,伸展到太阳的大气中,形成磁环。

  在太阳表面这些磁感线捅出来的地方,就会形成太阳黑子。太阳继续不断地自转,就会有更多的磁环和黑子形成。当该处的磁场变得非常强时,磁环就会吹向太空,这部分磁场连同其中所包含的气体就会被抛入太阳系空间。

卡灵顿事件——发展

    

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   美宇航局警告:2013年开始地球或遭遇严重太阳风暴。

  太阳磁场的活动,造成太阳黑子和耀斑爆发,抛射出包含有大量带电粒子和巨大能量的气体。这些气体来到地球附近以后,发展成了对地球造成严重影响的太阳风暴。

  太阳观测卫星拍摄的太阳发射的X射线像显示:明亮区域是太阳大气中的一些温度偏高的区域,靠近太阳边缘的一片亮区是正开始爆发的太阳风暴。其中的炽热气体在巨大的能量作用下翻腾。一片亮区大得足以并排着吞下几十个地球,其中有一个很大的黑子群,是个磁场特别强的区域……上述亮区已经开始爆发。

  磁场裹挟着质量达数十亿吨的一大团气体离开太阳。这些炽热的气体依靠磁场缠结在一起,喷涌到太阳系空间中,时速几百万千米。当这团气体来到地球附近时,向太空中伸展得很远的地球磁场会使这团气体的大部分发生偏转,保护我们免受太阳风暴的袭击。

  然而,如果太阳风暴迎面袭击地球,那么太阳风暴所携带的磁场会与地球磁场发生冲撞。这种冲撞会产生一种由带电粒子形成的激波。这种冲撞可持续数小时,使地球磁场发生弯曲和畸变。爆发越强烈,这种畸变就越严重。有些来自太阳的带电粒子可以穿透到地球磁场内很深的地方。

  当带电粒子轰击地球的时候,受到挤压的地球磁场可在地球背向太阳一侧的远处形成“短路”,使原来开放的磁感线闭合起来。其结果会造成能量的瞬间释放,并使得带电粒子在磁场中向内流,离地球近得多。然而,地球有着另一道防线来抵御这些入侵的带电粒子。在地球上空数千千米至2万千米的大气层内有几层辐射带。太阳风暴吹进来的粒子大多数陷落在这些辐射带中,形成强大的电流。

卡灵顿事件——预警

    

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太阳风暴

  对一次太阳风暴的强度可以从四个方面进行衡量,即:超高能粒子数量、可以看到极光的纬度、地球磁场变化的幅度、诸如电力中断或者在此情况下发生的火灾等地面事故的数量。研究人员综合这四个方面的一些测量结果,认为“卡灵顿事件”的强度是1989年3月太阳风暴的2—4倍。

  “卡灵顿事件”发生时住在低纬度的人们观测到了北极光,在离地磁赤道23度处都能看到红色的辉光。而且,这个记录一直保持到现在。极光能够伸展到的最低纬度与一次磁暴的强度直接有关。美国喷气推进实验室的科学家楚罗塔尼搞了个理论计算模型,计算出1859年“卡灵顿事件”的磁暴不仅仅是有历史记录以来最强的磁暴,而且达到了1989年3月的那次事件中磁暴强度的3倍。

  对于上述论断的支持还来自极地的冰核。美国空军研究实验室的科学家佩吉·安·希和唐纳德·斯马特考察了1561年——1992年格陵兰的冰核,从中寻找超强太阳风暴留下的痕迹。他们的目的是要测量当时冲入地球大气高层的超高能粒子轰击上层大气中的氮原子,触发一连串化学反应,产生称为硝酸盐的化学物质。

  这种硝酸盐被包含在极地的雪中,当这些雪受压变成冰时就成为一种印记保存了下来。“卡灵顿事件”在冰核中产生了迄今最强烈的这样的印记,远比1972年8月的事件更加强烈。

卡灵顿事件——影响

         “卡灵顿事件”造成了长达8天的恶劣空间天气。当时甚至有人在赤道附近地区目击到了极光。

  “卡灵顿事件”虽然在强度上远远超过了1989年和2003年的两次强太阳风暴,但是造成的危害并没有后两次严重。这是因为在那个时候还没有人造卫星、无线电通信和现代的电力传输网络。

卡灵顿事件——观点    

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  超级太阳风暴是超级麻烦,但并非世界末日——美国宇航局SDO探测器捕捉到太阳风暴震撼画面。

  《恶劣空间天气事件》的作者认为,如果卡灵顿事件发生在21世纪的今天,那么影响会更严重,而且科技越发达的社会受到的影响也越大。因为远距离输电线构成了巨大的天线,它们在太阳风暴中会形成电流冲击变电站。

  另一方面,包括供水、物流、金融在内的与日常生活息息相关的系统都需要依靠电力,一旦断电,就是一场灾难。它导致的经济损失可能达到1万亿到2万亿美元。

卡灵顿事件——类似事件    

  “卡灵顿事件”是一次超强事件。类似的超强事件在历史上曾经出现过多次。

  例如1989年3月的那次太阳风暴曾经造成加拿大魁北克省整个配电网故障,而2003年10月30日特大的太阳风暴曾使两颗卫星失灵,造成全世界通信和电网中断。然而,研究人员认为,“卡灵顿事件”的强度超过了上述两次事件,是有记录以来地球所经历过的最强的太阳风暴。

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