太陽輻射暴是什麼?

太陽輻射風暴(也稱為太陽質子事件或SPE) 通常在太陽發生重大爆發之後發生,當時質子以極高的速度發射出去,有時甚至可達每秒數萬公里。這些輻射風暴可以在短短30分鐘內跨越太陽和地球的距離,並持續數天。在本文中,我們將解釋什麼是太陽輻射風暴,以及它對我們的影響。

G 克级比例

NOAA美國國家海洋及大氣管理局使用一個稱為S級別的五級系統,用於指示太陽輻射風暴的嚴重程度。該等級從S1到S5,其中S1為最低級別,S5為最高級別。每個S級別都與一個pfu(質子通量單位) 閾值相關聯。例如:當10 MeV pfu計數在地球同步軌道高度達到10時,就會達到S1太陽輻射風暴等級。請注意,這個比例其實是對數的。這意味著當質子通量達到100 pfu時,就會發生中等(S2) 的質子事件,而不是20 pfu!對於強烈(S3) 的太陽輻射風暴,需要1000 pfu的通量。我們在網站上經常使用這個S級別,所以熟悉它是明智的。我們可以定義以下太陽輻射風暴等級:

G 克级比例 描述 通量閾值 平均頻率 先進成分探測器ACE太陽風數據的可靠性
S1 中度 101 每個週期50 數據可靠
S2 中度 102 每個週期25 數據可能不可靠
S3 103 每個週期10 數據可能不可靠
S4 活耀 104 每個週期3 數據可能不可靠
S5 極端 105 每個週期少於1 數據可能不可靠

危險

太陽輻射風暴對地球上的人類並不危險。我們受到地球的磁場和大氣層的保護,不會受到這些風暴的直接影響。在強烈的太陽輻射風暴期間,我們在地球上可能會面臨的影響之一是南北極航班上的乘客接受到比正常情況下更高的輻射劑量的風險增加。由於這些輻射風暴,南北極航班有時需要重新路線規劃或取消。另一個影響是它可能會導致極地地區的通信問題。這些質子對太空人也構成輻射威脅,特別是在進行太空行走(航天員外出活動) 期間。太空中的衛星也很脆弱:這些質子會降低太陽能電池板的效率,船上的電子電路可能發生故障,並且這些質子會在星跡追蹤系統中引起干擾。

在北極緯度地區,高頻(HF) 無線電通信可能會出現問題,甚至無法進行。快速移動的質子穿透地球磁層並沿著磁力線引導,穿過北極和南極附近的大氣層。這些質子將D層電離,這個過程阻止了HF無線電波到達更高的E層、F1層和F2層,這些層通常會使這些無線電信號折射並彈回地球。這種無線電中斷現象被稱為極冠吸收(PCA) 事件,可能持續數天。結果是在南北極航線上幾乎或根本無法進行高頻無線電通信。我們可以使用S級別來估計極冠吸收(PCA) 事件的嚴重程度。

G 克级比例 描述 影響
S1 中度 極地區域對高頻無線電有較小影響.
S2 中度 極地地區和衛星運作對高頻的影響很少。
S3 在極地地區的HF高頻通信受到損害,並可能導致導航位置誤差。太陽風對衛星影像系統和太陽能電池板電流的影響,以及對進行太空活動(EVA) 的宇航員和高緯度飛機乘客構成明顯的輻射危害。
S4 活耀 在極地地區的HF高頻無線電通信的中斷以及數天內的導航位置誤差,衛星對影像系統的損害和記憶設備問題,對進行太空活動(EVA) 的宇航員和高緯度飛機乘客造成高度輻射風險
S5 極端 在極地地區的HF高頻無線電通信的中斷和位置誤差使導航操作極其困難,一些衛星的損失和記憶體影響導致失控,對於進行太空活動 EVA 的宇航員和高緯度飛機乘客而言,高輻射風險是無法避免的。

下圖展示了太陽輻射風暴期間衛星所發生的情況。從左到右,我們可以看到兩個不同SOHO太陽和太陽圈探測儀器的一些影像。在左邊,可以看到在沒有太陽輻射風暴時,影像通常的樣子。在右邊,可以看到在嚴重的S4太陽輻射風暴期間發生的情況。有很多質子撞擊到相機的感測器上,導致影像上產生很多干擾。這些影像幾乎無法使用。

太陽輻射暴

Animated GIF (900kB)

太陽輻射風暴期間使用先進成分探測器 (ACE) 的問題

在太陽輻射風暴期間,可能會使先進成分探測器 (ACE) 衛星的一些數據可能會受到污染並記錄錯誤值。這可以從來自 SWEPAM 太陽風電子、質子和Alpha粒子監測儀器的太陽風參數中觀察到。太陽風速度變得比實際速度低,密度變得小於每平方公分 1 個質子。與行星際磁場 (IMF) 相關的數據在太陽輻射風暴期間仍然可靠。當太陽輻射風暴達到 S2 級(中度太陽輻射風暴) 時,這些錯誤讀數可能會發生,並且通常會持續到日冕物質拋射到達後很久,這使得檢測日冕物質拋射的到來變得更加困難。 2016 年取代 ACE 先進成分探測器的 DSCOVR 深太空氣候太空船並沒有這些問題。

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