太陽風暴
一般太陽風是相當平靜的，但是有時候太陽表面卻會發生太陽系中最猛烈的
爆發事件，其威力相當於一千萬倍的火山爆發。這種爆發我們稱之為「太陽閃
焰」（solar flare）。一八五九年十一月，蓋林頓（Richard Carrington）
與哈德森（Richard Hodgson）第一次觀測到太陽閃焰（不尋常的白光）的產
生，並推測其發生在太陽黑子的上方，十八小時之後地球便發生了相當大的磁
暴現象，也就是前述歷史上著名的太空天氣事件。這也是人類第一次建立了太
陽上的現象與地球上反應的關聯。
太陽閃焰大約可以維持數分鐘之久，由於溫度高達數百萬度，會發出強烈的
Ｘ射線與 γ 射線以及其他高能電子與質子。
這些高能輻射與帶電粒子約 8 ~ 30 分鐘即可到達地球，可穿透太空衣，對
於在太空艙外執行任務太空人的生命與安全造成威脅，同時會損毀衛星的電子
系統並干擾電波通訊。
太陽風暴除了太陽閃焰之外，還有所謂的「日冕拋射物質」（coronal mass
ejection）。早期在地面上觀測日全蝕即知道有日冕的存在，但日冕的劇烈活
動現象則是在一九七○年後，太空船攜帶望遠鏡到太空中，利用Ｘ光對太陽進
行觀察才被發現。
當太陽進入活躍期時，日冕的活動也會跟著旺盛起來，日冕拋射物質發生時
會噴發出大量的帶電物質（稱為電漿團），這些電漿團的溫度可高達幾百萬度，
質量約一百億噸，在太空中的行進速度更高達約每小時一百至五百萬英哩，平
均幾天即可到達地球。日冕拋射物質的能量相當於十萬個颱風，範圍則大約是
30 ~ 40 個地球大小。
太陽閃焰與日冕拋射物質的物理產生機制目前都不甚清楚，尚是研究中的主
題。比較確定的是，其發生在活躍的太陽黑子附近，此處磁場非常強，磁力線
極度被拉扯、扭曲，導致不穩定的結構，而磁能最終須獲得釋放時即會伴隨著
劇烈的太陽風暴。
地球磁場──天然的屏障
太陽的活動如此猛烈，地球上的生命在其威脅之下卻仍能欣欣向榮，發展得
如此豐富而多樣化，主要是因為地球自身磁場的保護──磁層宛如一個天然的
屏障。
最早發現地球磁場並加以運用的是中國人，在一○○○年時發明了羅盤。一
六○○年時，英國的吉爾博特（William Gibert）提出地球是一巨大磁鐵的說
法。在一七四○年，葛拉漢（George Graham）發現羅盤上的指針會呈現不規
律擾動，而攝西爾士（Anders Celsius）則發現羅盤指針變化與極光的活動有
相當大的關係。但直到一八三○年全球建立了磁場觀測站，我們對地球磁場的
變化才有較全面的研究，並發現太陽上的活動與地球磁場大幅擾動（所謂的磁
暴），有很密切的關係。一八五二年英國人沙拜思（Edward Sabine）發現地
球磁暴發生的頻率與太陽黑子數相關。一八五九年的大磁暴即是在觀測太陽閃
焰 18 小時後發生，開始建立了日地物理與太空天氣的雛型。
極光──天空中的簾幕
極光是太陽活動對地球所產生的各種影響中，最美麗燦爛的一項產物。古羅
馬時代視它為日出女神，亞里斯多德則稱之為發光的雲，甚至有天堂之門等等
的稱呼，而到了一二三○年，挪威人才稱之為「北極光」。
富蘭克林（Benjamin Franklin, 1706-1790）則認為極光可能是雲層上端之
閃電所發出的光芒。
極光可同時發生在北半球與南半球。最早發現這個事實是在一七七○年九月，
英國人到澳洲時第一次觀測到南極光，而剛好同一天，在清朝的史書中也記載
觀測到北極光，這是極光在南北半球同時發生之第一次紀錄。許多位於南、北
緯 60 ~ 70 度的高緯度國家每年有上百次的機會觀賞到壯麗的極光秀；中緯
度地區每年約有 10 ~ 20 次的機會可看到極光；而由於太陽黑子周期的影響，
每 10 年約有一次可在赤道地區發現極光。一九○九年靠近赤道的新加坡也觀
測到極光。
除了地球之外，太陽系中只要有磁場與大氣層的行星，如外行星的木星與土
星，都可以發現極光的現象。
日地物理
在一九○○年時，電磁學的理論已經完備，因此對於觀測到的太陽黑子、太
陽閃焰、地球磁暴、極光等現象，我們嘗試以電磁學理論與實驗了解其產生的
原理及日地的關係。一九○二年挪威的科學家柏克蘭（Kristian Birkeland）
在實驗室中模擬極光產生的實驗，他利用電子束打在磁球上會在磁球的南北極
產生亮光的結果，提出極光是由來自太陽的電子束所產生。但是實際上地球的
極光並非發生在地球磁極的正上方，其說法因而受到質疑。另一個科學家史湯
姆（Carl Stormer）的理論研究則顯示，從太陽過來的電子會被地球磁場捕獲
而無法自由進出南北極。
一九三○年夏普曼（Sydney Chapman）和法拉洛（Vincent Farraro）兩人
提出太陽同時噴發出電子與質子等帶電粒子，而這些粒子在靠近地球磁場時會
形成電流並將地球磁場規範在一個空腔之內。一九五九年高特（Thomas Gold）
正式稱之為磁層。地球磁層是一個非常好的保護層，可擋住 99％ 的太陽風，
使其無法直接進入地球表面。但即使是只有1％的太陽風粒子可進入地球磁層
也足以造成顯著的太空天氣。
一九五八年美國發射第一顆人造衛星，攜帶愛荷華大學的范艾倫教授的蓋格
計數器，用來偵測太空中的高能帶電粒子。在這次的探測中，人類首次發現太
空並非真空，而是到處都充滿著各種高能粒子，且在太空中形成環繞著地球的
兩個類似甜甜圈的范艾倫帶（Van Allen belts）。也就是這內外兩個范艾倫
帶幫我們擋住了大部分來自太陽及外太空的各種高能粒子。
除了磁層與范艾倫帶在外圍阻擋與吸收大部分來自太陽與外太陽的帶電粒子
之外，地球高層大氣的電離層（高度在離地表 40 ~ 800 公里）也幫我們吸收
許多的高能輻射；而大氣層中的臭氧層則可以幫我們吸收掉太陽的紫外線，更
往下的濃密大氣層也會吸收一些光與宇宙射線等，這一層層包裹著地球如同蠶
繭一般的多重防護罩，使得地球上的生命得以在溫室中孕育與演化。
地球的磁層由於受到太陽風的吹拂與壓迫，因此不像普通磁鐵的磁力線，成
為一個對稱的形狀，而是在面對太陽的向日面被壓縮得較扁，而背對太陽的夜
側面則向後延伸形成如彗星尾般長長的磁尾。分開磁層與太陽風的邊界稱為磁
層頂。當在日冕拋射物質的強力吹拂下，向日面的磁層頂會被擠壓靠近地球，
有些原來在磁層內的人造衛星會因而進入太陽風中，而暫時失去磁層的保護並
造成損壞。
除了地球原有的磁場，太陽風與日冕拋射物質也都帶有磁場。當磁場方向與
地磁相反時，會發生所謂的磁重連（reconnection）現象。這情況發生時，太
陽風或日冕拋射物質的高速帶電粒子會繞到磁尾進入夜側的地球磁層，並沿著
磁力線進入高緯度地區的電離層。當這些帶電粒子高速撞擊高空大氣中不同的
原子、分子或是離子，使其成激發狀態後，再釋出光子而形成了所謂的極光。
日地物理與太空天氣的重要性
太空紀元讓我們對太陽、地球的太空環境、日地關係、太陽系與整個宇宙有
了嶄新的認識。原來似乎遙不可及的太陽與我們的地球竟是如此密切相關聯。
太空天氣會影響衛星的運行、無線電通訊、導航、定位、或是電纜與油管導線
等，以及太空人與經過極區飛機乘客的安全，甚至和我們息息相關的氣候等。
未來人類將會越來越仰賴太空，各種太空計畫正加快腳步進行，太空站與衛星
可能變得相當普遍，還有載人的行星探險等。太陽系物理的研究亦有助於我們
了解宇宙中許多類似的電漿系統。增強對日地物理的研究與太空天氣的監控，
才能讓我們作好萬全的準備工作，減少太空探索的風險、經濟上的損失與生活
的不便。
http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/summary/gif/031030/seit_00304_fd
_20031030_0934.gif
二○○三年十月三十日SOHO衛星所觀測到太陽劇烈活動的照片。
後記：
科學是一種生活的態度，是一種運用邏輯思考的方法和追根究柢的精神，去
解決在日常生活上和宇宙探索中所遇見的問題的態度。為了讓社會大眾了解
科技發展的趨勢，由國科會主辦，中央大學理學院科學教育中心承辦的「20
03展望系列演講」於焉誕生，本篇為秋季「探索未知」系列，民國九十二年
十月三日第三場講座的演講實錄。
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資料來源：《科學發展》2004年 5月，377期，44～51頁
http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2004_5144-51.pdf
http://nr.stic.gov.tw/ejournal/Nscm/9305/9305-07.pdf
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