太陽閃焰是什麼?

太陽耀斑基本上是太陽表面的巨大爆炸,當太陽黑子的磁場線纏結並爆發時就會發生。太陽耀斑被定義為突然、快速、強烈的亮度變化。當太陽大氣中累積的磁能突然釋放時,就會發生太陽耀斑。物質在短短幾分鐘內被加熱到數百萬度,輻射幾乎遍及整個電磁波譜,從長波長端的無線電波,透過光發射到短波長端的 X 射線和伽馬射線。釋放出的能量相當於數百萬枚核彈同時爆炸!當太陽活躍時,太陽耀斑經常發生。在此期間的一天內可能會發生許多太陽耀斑!在太陽活動最低期間,太陽耀斑可能每週發生不到一次。較大的耀斑比較小的耀斑頻率較低。。有些(主要是較強烈的) 太陽耀斑可以將巨大的太陽等離子體雲發射到太空中,我們稱之為日冕物質拋射。當日冕物質拋射到達地球時,可能會引發地磁風暴和強烈的極光現象。

由NASA美國太空總署的太陽動力觀測衛星在193埃波長下觀測到的壯觀太陽耀斑。

影像: 由NASA美國太空總署的太陽動力觀測衛星在193埃波長下觀測到的壯觀太陽耀斑。

太陽耀斑的分類

Solar flares are classified as A, B, C, M or X according to the peak flux (in watts per square metre, W/m²) of 1 to 8 Ångströms X-rays near Earth, as measured by XRS instrument on-board the GOES satellite which is in a geostationary orbit over the Pacific Ocean. The table below shows us the different solar flare classes:

類別 W/m² between 1 & 8 Ångströms
A <10-7
B ≥10-7 <10-6
C ≥10-6 <10-5
M ≥10-5 <10-4
X ≥10-4

Each X-ray class is logarithmic, with each class being 10 times stronger than the previous one, and within each category ranging from 1 to 9. For example: B1 to B9, C1 to C9, etc. Originally the classes where limited to C, M and X. As instruments over the subsequent years became more sensitive, smaller flares could be observed which were than labeled as A and B. Similarly, Y and Z could follow X if X10 or stronger flares were detected, but these have never been used. Instead scientist continued the X-class for labeling very large flares (for example the X40 of November 4th 2003 and not Y4)

A 級和 B 級太陽耀斑

A和B級是太陽耀斑中最低的等級。它們非常普遍且不太令人關注。在太陽活動最大期間,背景通量(沒有耀斑時發射的輻射量) 通常在B範圍內,在太陽活動最低期間則在A範圍內。

C級太陽耀斑

C級太陽耀斑是輕微的太陽耀斑,對地球幾乎沒有影響。只有持續時間較長的 C 級太陽耀斑可能會產生日冕物質拋射,但它們通常速度較慢、強度較弱,很少對地球產生顯著的地磁干擾。當面向地球的太陽盤上存在複雜的太陽黑子區域時,背景通量(沒有耀斑時發出的輻射量) 可能處於較低的 C 級範圍內。

M級太陽耀斑

M級太陽耀斑就是我們所說的中大型太陽耀斑。它們會在地球的白天一側造成小(R1) 到中(R2) 無線電中斷。一些爆發性的 M 級太陽耀斑也會引起太陽輻射風暴。強烈、持續時間長的 M 級太陽耀斑很可能會引發日冕物質拋射。如果太陽耀斑發生在面向地球的太陽盤中心附近,並向地球發射日冕物質拋射,那麼由此產生的地磁風暴很可能足夠強大,足以在中緯度地區出現極光。

X級太陽耀斑

X級太陽耀斑是所有太陽耀斑中最大且最強烈的。平均而言,這種強度的太陽耀斑每年約發生10次,而在太陽活動最高期間比在最低期間更加常見。在太陽耀斑期間,地球的白晝一側會出現強烈到極端(R3到R5) 的無線電信號中斷。如果太陽耀斑是爆發性的且發生在面向地球太陽盤的中心附近,它可能會引發一次強烈且持續時間較長的太陽輻射風暴,並釋放出顯著的日冕物質拋射,這可能導致地球上發生嚴重(G4) 到極端(G5) 的地磁風暴。

X-class solar flare as seen by NASA's Solar Dynamics Observatory in the 131 Ångström wavelength

影像: NASA 美國太空總署的太陽動力學觀測衛星觀測到的 X 級太陽耀斑,為131 埃波長 。

在X9以上是什麼呢?X級太陽耀斑仍然持續,而不是使用新的字母表示,這些太陽耀斑通常被稱為「超級X級」太陽耀斑。然而,達到甚至超過X10等級的太陽耀斑非常罕見,在太陽週期內只發生幾次。事實上,這些強大的太陽耀斑不經常發生對地球來說是一件好事,因為其後果可能會嚴重。這樣的太陽耀斑可能引發的日冕物質拋射已知能對我們的現代技術,如衛星和電力線路,造成問題。

One thing to note with super X-class flares is that an X20 solar flare is not 10 times as strong as an X10 solar flare. An X10 solar flares equals an X-ray flux of 0.001 Watts/m² while an X20 solar flare equals 0.002 Watts/m² in the 1-8 Ångstrom wavelength.

The largest solar flare ever recorded since satellites started to measure them in 1976 was estimated to be an X40 solar flare which occurred on November 4th, 2003 during Solar Cycle 23. The XRS long channel on the GOES-12 satellite was saturated at X24.86 for 12 minutes by the intense radiation. A later analysis of the available data yield an estimated peak flux of X40 however there are scientists who think that this solar flare was even stronger than X40. A good thing for us was that the sunspot group which produced this solar flare had already rotated largely of the Earth-facing solar disk when the X40 solar flare occurred. A thing to note is that there has not been a solar flare that saturated the XRS channels since the new generation of GOES satellites but it is expected that it will saturate at about the same flux levels.

太陽耀斑導致高頻 (HF) 無線電中斷

在太陽耀斑期間發射的X射線和極紫外線輻射的爆發可能導致地球的陽光一側出現高頻(HF) 無線電傳輸問題並在太陽直射區域最為強烈。在這種情況下,雖然可能影響到非常高頻高頻(HF)(3-30 MHz) 的無線電通信,在這種情況下,雖然可能影響到非常高頻(VHF)(30-300兆赫茲) 和更高頻率的信號,但通信可能出現時強時弱和接收削弱。

這些無線電信號中斷是太陽耀斑期間低電離層(D層) 中電子密度增強的結果,這導致無線電波通過此層時能量損失大幅增加。這個過程阻止了無線電波到達更高的E層、F1層和F2層,正常情況下,這些層會使無線電信號折射並反射回地球。

由太陽耀斑引起的無線電中斷是影響地球的最常見的太空天氣事件,也是最迅速影響我們的事件。每個太陽活動週期約發生2000次較小的事件。在耀斑期間產生的電磁輻射以光速傳播,從太陽到地球的時間稍微超過8分鐘。這種類型的無線電中斷可能持續幾分鐘到幾個小時,具體取決於太陽耀斑的持續時間。無線電中斷的嚴重程度取決於太陽耀斑的強度。

在當地午間的X射線無線電中斷期間,最高受影響頻率(HAF) 是基於1-8埃波長的當前X射線通量值。最高受影響頻率(HAF) 可以通過公式計算得出。以下是一個表格,其中顯示了在特定X射線通量情況下的最高受影響頻率(HAF)。

GOES X射線分類及通量值 最高受影響頻率
M1.0 (10-5) 15 MHz
M5.0 (5×10-5) 20 MHz
X1.0 (10-4) 25 MHz
X5.0 (5×10-4) 30 MHz

R級別

NOAA美國國家海洋和大氣管理局使用一個稱為 R 等級的五級系統,來表示X射線相關無線電中斷的嚴重程度。這個體系從R1表示較小的無線電中斷事件,到R5表示極端的無線電中斷事件,其中 R1 為最低級別,R5 為最高級別。每個 R 等級都有與其相關的特定 X 光亮度。這個範圍從R1對應於M1級的X射線通量,到R5對應於X20級的X射線通量。在Twitter上,一旦達到某個無線電中斷閾值,我們就會發出警報。由於每個中斷等級都代表特定的GOES X射線亮度,因此可以將這些警報直接與當時發生的太陽耀斑關聯起來。我們可以定義以下無線電中斷等級:

R級別 描述 GOES 對地靜止運轉環境衛星按類別和通量劃分的 X 射線閾值 平均頻率
R1 中度 M1 (10-5) 每個週期2000 (每個週期950 天)
R2 中度 M5 (5×10-5) 每個週期350 (每個週期300 天)
R3 X1 (10-4) 每個週期175 (每個週期140 天)
R4 活耀 X10 (10-3) 每個週期8 (每個週期8 天)
R5 極端 X20 (2×10-3) 每個週期少於 1

以下圖像顯示了一個X1(R3強) 太陽耀斑對地球陽光照射區域的影響。可以看到,太陽正位於頭頂的位置,最高受影響頻率(HAF) 約為25 MHz兆赫茲。低於HAF的無線電頻率會遭受更大的損失。

NOAA SWPC美國國家海洋和太空天氣預報中心的D區吸收預報產品。D區吸收預測模型用作指南,以了解高頻(HF) 無線電信號退減和通信中斷可能帶來的影響。

影像: NOAA SWPC美國國家海洋和太空天氣預報中心的D區吸收預報產品。D區吸收預測模型用作指南,以了解高頻(HF) 無線電信號退減和通信中斷可能帶來的影響。

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上一個 地球磁爆25/03/2024Kp5 (G1)
無黑子天數
上一個無黑子日08/06/2022
黑子數月平均
3月 2024104.9 -19.8

歷史上的今天*

太陽閃焰
12001X2.9
22002M5.79
32013M4.79
42002M2
52000M1.96
ApG
1200150G3
2201019G2
3200530G1
4199430G1
5201123G1
*始於1994

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