5月17日,由搜狐主辦的2025搜狐科技年度論壇在北京盛大開幕。多位院士、科學家與產業界人士齊聚一堂,激發智慧的深度碰撞,奔赴科技的星辰大海。
本屆論壇線上線下結合,開啟全天的思想盛宴。在上午的線上直播中,南京大學天文宇空間科學學院陳鵬飛教授發表了題為《太陽爆發現象及其對地球的影響》的演講。
陳鵬飛指出,太陽距地球1億5千萬公里,為地球提供光和熱,太陽能是近乎取之不盡。太陽內部核心通過氫核聚變產生光,依據愛因斯坦質能公式E=mc2,四個氫原子核聚變成一個氦原子核時,減少的質量轉化成了光子的能量。
太陽看似不變,實則是復雜多變。太陽表面有眾多噴流和亮點等小型能量釋放現象,使其日冕溫度高達一兩百萬度。日珥則是太陽大氣中突出結構,壽命為幾天到幾周,被拋向太空時會在下方引發太陽耀斑。
耀斑是太陽大氣最劇烈的爆發現象,持續時間為幾十分鐘到幾小時,能量巨大,相當于100億顆原子彈同時爆炸,還會伴隨日冕物質拋射,拋射物質速度可達幾百上千公里每秒。
陳鵬飛表示,雖然地球磁場和大氣層能起到保護作用,但如果日冕拋射的物質沖向地球,還是會引發地磁暴,高能粒子會轟擊地球大氣,形成美麗的極光,去年北京郊區就因劇烈太陽爆發而出現極光。
此外,衛星也會受到太陽爆發的騷擾,高能粒子轟擊致衛星充電、放電,甚至燒毀,還會使地球大氣密度升高,增大衛星阻力,導致軌道下降衛星墜毀,比如2022年馬斯克發射的星鏈衛星就因為太陽小型爆發而損失40顆衛星。
地面上,電網、石油管道和短波通訊也會受干擾,比如1990年海灣戰爭期間太陽爆發導致短波通訊失靈,1989年加拿大魁北克省水電站因太陽爆發引發的地磁暴被燒壞,造成600萬人停電9小時。陳鵬飛稱,太陽爆發現象每年給地球帶來幾十億人民幣的損失。
以下為演講全文:
各位搜狐科技的朋友們,大家好,我是南京大學天文與空間科學學院的陳鵬飛,從事太陽物理方面的研究。今天很高興和大家聊聊我所研究的太陽爆發現象及其對地球的影響。
眾所周知,太陽是生命的源泉,這是因為太陽為我們地球上生命的存在和繁衍提供著恰恰好的光和熱。在浩瀚無垠的宇宙中,太陽其實只是一顆非常普通、塊頭比較小的一顆恒星,但是由于我們地球到太陽的距離只有1億5千萬公里,所以太陽看起來是最亮的。
太陽光照到地球附近,每平方米提供的能量大約是1366瓦,跟一個平常燒水的電爐差不多。考慮到地球的橫截面積,太陽光照到整個地球的功率是170萬億千瓦,那我們全世界80億人的生活、工作、生產需要多少電呢?大約是28億千瓦,由此可見,太陽能幾乎是取之不盡,用之不竭的。
很多人會好奇,太陽為什么會發出這么強的光呢?原來在太陽內部占了1/ 4半徑的核心,那里的溫度壓強特別的高,以至于那里可以發生氫元素的核聚變反應,四個氫原子核有機會撞在一起聚變成一個氦原子核。
高中化學元素周期表告訴我們,四個氫原子的質量比一個氦原子的質量要重千分之七,這也就是說在氫元素聚變成氦元素的過程中,總的質量會減少千分之七,那減少的質量跑到哪去了呢?原來它變成了光子,根據愛因斯坦著名的質能公式,E=mc2,也就是減少的質量乘上光速的平方,那就是太陽光的能量。
太陽光的能量是可以測量的,我剛才說了,太陽光照到地球附近的功率是每平方米1366瓦。根據這個數據,然后再根據地球到太陽的距離是1億5千萬公里,我們便可以計算出來為了發光,太陽一秒鐘會減少多少質量。
計算結果表明,太陽每秒鐘質量會減少40億公斤,也就說“嘀嗒”一下,太陽的質量就少掉了40億公斤,怪不得小時候老師經常跟我們說,一寸光陰一寸金吶!這個結果也告訴我們一個深刻的道理,那就是最有效的減肥方式不是去喝減肥茶,而是讓自己在工作崗位上發光。
太陽看起來是一成不變的,那這只是一個假象,這是因為我們用肉眼在可見光波段看著它。如果我們用極紫外或者X射線望遠鏡去觀測太陽的話,你會發現太陽是極其復雜、豐富多變的,這時候你會發現在任何時候太陽上都有成百上千個像火山爆發一樣的噴流以及增亮等現象。正是因為這些此起彼伏的小型能量釋放過程,使得雖然太陽表面只有5700度,而它的大氣日冕達到了一兩百萬度。
太陽大氣中時不時還會有突出的結構,就像太陽帶了一個“耳環”,我們把它稱作日珥,每個日珥的壽命大概是幾天或者幾個星期,最后因為平衡被破壞,以每秒鐘幾百公里的速度拋向太空。一旦日珥拋向太空,在日珥的下方的太陽表面附近會出現明亮的太陽耀斑,是太陽大氣中最劇烈的爆發現象之一。
每次耀斑的持續時間也就是幾十分鐘到幾個小時不等,但它釋放出來的能量相當于100億顆原子彈的總能量。我們知道全世界人口才80億,一次太陽耀斑釋放出來的能量就相當于全世界人手一顆原子彈同時爆炸的總能量。與此同時,拋射的日珥帶著周圍日冕幾十億噸的物質,以幾百上千公里每秒的速度朝著太空飛奔而去,形成極其壯觀的日冕物質拋射現象。
日冕物質拋射可能朝任何方向傳播,也就是說也有可能朝著我們地球撞擊過來,在經過1-4 天的傳播之后會到達地球,如果這些物質和高能粒子直接撞擊地面的話,那會給我們地球上的生命帶來很大的麻煩,很大的破壞。
幸運的是我們地球有磁場和大氣層在保護著我們。即使這樣,受到擾動的地球磁場會產生地磁暴現象,高能粒子會轟擊地球大氣,形成美麗的極光。通常極光只有在南北極附近才能看得到,但去年的一次劇烈太陽爆發現象使得人們在北京郊區也能看到極光。
在天上運行的衛星經常會受到太陽爆發現象的騷擾。一方面,太陽爆發加速的高能粒子會轟擊衛星,使得衛星充電、放電,有可能導致衛星燒毀。另外一方面,太陽爆發撞擊地球大氣,使得地球大氣密度升高,從而增大衛星的阻力,有可能導致衛星的軌道繼續下降甚至墜毀。
2022年2月,馬斯克一次性發射49顆星鏈衛星,結果由于太陽上的一次小型爆發,導致一次小型地磁爆,就有40顆訓練衛星發射失敗,墜毀到大氣層,這大概是馬斯克第二懊惱的事情。
聽到這個,你可能會好奇,那馬斯克最懊惱的事情是什么?我想他最懊惱的應該是他去年全力以赴幫助特朗普當選美國總統。即使在地面,我們的電網、石油管道短波通訊也會受到太陽爆發的干擾。
在1990年海灣戰爭期間,由于太陽爆發干擾地球電離層,導致短波通訊失靈,美國軍隊無法進行無線電聯系,也以至于他們一度以為是俄羅斯人在搗鬼。1989年,一次強烈的太陽爆發直奔地球而來,產生強烈的地磁暴,使得加拿大魁北克省的一個水電站燒壞了。這座水電站負責了魁北克省和美國5個州的用電,而這次斷電導致600萬人在寒冷的冬天度過了9個小時。正是由于太陽爆發現象的頻繁發生,使得地球上平均每年要損失幾十億人民幣。
所以說太陽物理不只是探索天體爆發現象,它也跟我們的國計民生息息相關,我們課題組正在不斷分析望遠鏡的觀測數據,也在通過計算機對太陽爆發現象進行數值仿真,還利用人工智能對太陽爆發現象的物理本質進行深入研究,期望能夠更好地理解太陽爆發現象的物理機制,并預報太陽爆發現象的發生。謝謝大家。
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