課程內容

太空天氣對地球的影響

        太陽的爆發是所有太空天氣現象的主要來源，太陽風夾帶著這些效應到地球時，會與地球磁場作用而影響磁層與電離層，同時引發的磁層與電離層之電漿耦合作用也很重要。整個作用鏈從太陽直到地球觀測到的磁暴，這包含著相當複雜的過程，而星際宇宙射線(galactic cosmic rays)也被視為傷害的次要來源，若能對這些影響有更清楚的了解，將可避免人類受到傷害。由於太陽活動性有十一年的週期，下圖(Fig.1)顯示太陽黑子數(sunspot number)與磁暴的相關性，其中圖上方的鑽石符號代表由太空天氣引起的災難次數，這顯示太陽活動高峰期(solar maximum)有較高的災難發生頻率，但太陽活動寧靜期(solar minimum)也有發生。

         當太陽風暴傳抵地球附近時，對於地球的影響非常廣泛，下圖(Fig.2)指出在空中與地面會出現的各種問題，其主要衝擊與造成影響的因素則分別詳述於下：

  Fig. 2

太空飛行 (Transportation and Space Flight)

        太空天氣會影響太空飛行的每個階段，可能因太陽X射線暴(solar X-ray burst)引起的通訊困難而延期，增強的輻射可能傷及太空人而無法太空漫步，未來有人的行星際飛行也需考量配合較低星際宇宙射線(cosmic rays)劑量的時期，以及太陽高能粒子的屏蔽。太空飛船所面臨的危機來源有：熱電漿電子產生的表面充電(surface charging)、高能電子穿透飛船干擾或破壞電子儀器、長時間紫外線造成設備如太陽電池的老化，以及過強紫外線使大氣層向上升展造成衛星在軌道運行的阻力，衛星高度陡降會衛星失去聯絡。

航空 (Aviation)

         對於飛機駕駛、乘客與機上儀器有威脅的輻射線源為二次宇宙射線(secondary cosmic rays)，飛行路線與高度會關係著影響的程度。因宇宙射線在地磁極區穿透得較深入大氣層，高緯地區的路線有較高的曝曬量，因此科學家正研究該輻射劑量對飛航的影響，歐洲已有飛航的輻射防護法條實施。現代飛機上的微晶片極易受輻射損壞，研究(Ziegler and Srinivasan, 1996)指出飛行高度自9km提高至20km時，儀器上的CMOS的軟錯誤率(soft error rate)將增加一倍。

 鐵路 (Railways)

        太空天氣風暴時鐵道設備會因地電場而驅動地磁感應電流(Geomagnetically Induced Currents, GIC)，目前對於GIC產生的電壓大小與影響的相關認知甚少，唯一明確的事件紀錄是1982年7月的磁暴期間，瑞典發生過鐵道號誌自行變成紅燈，但實際並無火車通過，其原因尚不明，但有理由相信一些鐵路設施的誤動作可能與太空天氣有關。

 電訊與航海 (Telcommunication and Navigation)

        最早發現太空天氣影響電信系統的是150多年前的電報員(Boteler et al.,1998)，當時出現電報機無法操作，有時則不需電池也能操作，因地磁場在通信電纜感應了GIC。1940年3月的大磁暴曾經中斷了北挪威的通訊系統，這次感應的電場強度估計高達45~55V/km，而一般太空天氣引發的電場強度約1~10V/km，因此國際電話的海底電纜可能會感應出上百或上千伏特的電壓。雖然現代的光纜不至於有GIC的問題，但信號放大器仍可能因連接金屬饋線而受GIC影響。

        至於穿透或利用電離層反射的通訊系統依然深受太空天氣的影響，電離層特性的改變將導致地面與衛星之間通訊信號衰減或失真，例如全球定位系統(GPS)會因電離層總電子濃度影響其信號傳輸。太陽無線電波暴(solar radio burst)的雜訊也會影響通訊，1996年某日美國的行動通信系統電話中斷率因太陽閃焰(solar flare)無線電波輻射由2%增為9%(Lanzerotti et al., 1999)。

 電力系統 (Power Grid Systems)

        地電場會在電力傳輸網路感應GIC，因GIC是準直流，易造成變壓器飽和。最有名的GIC突發性災難發生於1989年3月加拿大魁北克，該省經歷了數小時的大停電，紐澤西州的一個變電系統也於相同的磁暴中永久損壞。

        由於GIC主要在高緯地區造成問題，北美與北歐國家相當關切這方面的研究，但其實GIC也會影響較低緯地區，因為GIC的強度大小取決於系統的結構，亦即傳輸線的阻抗、長度與變壓器的位置，還有一些未知的因素。所以發展磁暴發生時GIC強度預測的能力是非常需要的，這樣才能避免因GIC帶來的突發性災難。

 石油與瓦斯輸送管 (Oil and Gas Pipelines)

        地下輸送管若無正確防護容易腐蝕損壞，腐蝕最嚴重的部位在於管路插入周圍土壤之處，在那兒電化學條件會引起腐蝕作用，通常使用高阻抗鍍膜與陰極防鏽系統保護管線，但地磁暴發生時的感應電壓可輕易地超出陰極防鏽電位。位於芬蘭南部的天然氣輸送管未曾因太空天氣而出過問題，即使沿著管線的GIC高達數百安培，因為只要保護鍍膜未破裂，導通電流密度每平方米僅數毫安培。

 重大疾病發病率 

        長期的心臟疾病與腦中風發病率與太空天氣變化的相關性研究指出，在地磁劇烈擾動期間出現較高的發病率，在地磁寧靜期間則有較平常更低的發病率，其他研究也顯示腫瘤之類的病例也與太陽黑子數週期有正相關，這都顯示太空天氣可能影響人體的健康狀態，但這方面仍需更多與更仔細的研究，才能了解其影響性之大小與引發人體反應的機制。

長期氣候變動 (Long Term Climate Variations)

Fig. 3   顯示太陽輻射量隨太陽週期的變化 

(此圖取自Lund Space Weather Center http://www.lund.irf.se/HeliosHome/earthlow.html)

經長期的資料統計分析，顯示地球的氣候可能經隨下列特性的變動而改變：

 參考資料：

F. Jansen and R. Pirjola, Space Weather Research Elucidates Risks to Technological Infrastructure, EOS, Vol.85, No.25, p.241, 2004.

胡漢明、李永生、張文元，太陽活動對腫瘤和循環系統疾病的影響，雲南天文台台刊，No.1, p.35~40, 2000.

曾治權等，北京地區冠心病和腦猝中發病與太陽、地磁活動關係的探討，地理研究，Vol.14, No.3, p.88~95, 1995.

"Solar Activity and Earth's Climate", at Lund Space Weather Center http://www.lund.irf.se/HeliosHome/earthlow.html