第二章-天文灾害.ppt

二 天文灾害二、天文灾害主要内容n第一节 天文灾害概述（2周）n第二节 太阳风暴（2周）n第三节 小天体撞击灾害（3周）第一节 天文灾害概述n一、天文灾害和地球宇宙环境n（一）天文灾害的概念n天文灾害既包括直接危害人类活动的各种天文现象,也包括作为诱发因素影响地球灾害系统的各种天文现象。其中，前者包括太阳活动及太阳系小天体撞击地球造成的直接的灾难，后者既包含太阳所处的银河系和太阳系环境,又包括行星、月球以至地球自身所导致的各种影响地球灾害系统的因素。天文灾害的表现形式n天文灾害的表现形式有陨石坠落、小行星碰撞、彗星碰撞、强宇宙射线冲击、地球轨道等。n其中，对地球有巨大影响的主要有：n宇宙天体撞击地球、n太阳活动异常、n邻近恒星灾变等。（二）天文灾害的特点n1、时间上具有周期性和随机性。n天体的运行及变化具有一定的周期性，天文灾害及由天文现象引起的各种地球系统灾害也具有时间的周期性。n例如，太阳黑子、耀斑、高能粒子流等太阳活动现象的强弱变化有11年、88年等不同周期，日月潮汐现象具有日变化、月变化及年变化的周期，流星雨现象由于其母体彗星的运行也有一定的周期，由于太阳在银河系的运行引起的太阳辐射变化及其他灾害具有25亿年的周期。n影响天体运动和变化的各种因素十分复杂，各种天文灾害的发生强度、发生时间及发生区域又具有一定的随机性。n2、在空间上既有全球性又有区域性n天文灾害影响人类的太空探测及人类在地球上的活动。有的天文灾害具有全球性影响，有的则只对局部地区造成危害。例如，小规模的陨星撞击现象只对局部区域产生危害甚至灾害，直径在5km以上的小行星或彗星的撞击则会造成全球性的灾难，甚至造成人类的毁灭。n3、具有突发性和隐蔽性n人类对宇宙的观测范围还很小，天文灾害从孕灾到成灾的时间短，致使天文灾害的防御困难。n4、能量巨大，防御困难n一个太阳耀斑产生的能量在100亿颗百万吨氢弹的能量。n5、具有复杂的灾害链n影响整个地球系统，引起复杂的连锁反应，其造成的各种灾害种类多样，预测困难。（三）地球的天文环境第二节 太阳风暴n太阳风暴：太阳释放出大量的粒子流二、太阳活动对地球环境的影响n（一）太阳风暴和空间天气n太阳外层大气受太阳磁场的支配，处于局部的激烈运动中称为太阳活动。n广义的太阳活动是指发生在光球、色球和日冕内的各种复杂的变化现象即指发生在太阳大气层局部区域的、在有限时间间隔内的各种物理过程的总称。n太阳活动又叫太阳扰动，天文学家根据太阳活动现象的变化速度常把太阳分为宁静太阳和扰动太阳，前者是指活动处于低潮期的太阳。后者乃指活动处于高潮期的太阳。太阳风暴是剧烈太阳活动及其在日地空间引起的强烈物理效应的通俗说法。正如地球大气中的风暴有风、云、雨、雪、电闪、雷鸣等多种现象，太阳大气中的风暴也有多种现象，黑子、耀斑、日珥暴发、日冕物质抛射都是太阳风暴的现象。（二）太阳活动的影响n太阳活动现象可依照其宏观参量的变化率的高、低分为爆发型太阳活动和缓变型太阳活动两类。n太阳大气中的异常结构，如太阳黑子群、光斑、谱斑、宁静日珥、日冕凝聚区和冕洞等都属于缓变型太阳活动。n这些活动现象在几何尺度上、位置上火能力方面的变化速度相对于暴发型提样活动而言具有缓慢的变化率。第二节 太阳风暴n太阳风暴是指在太阳的日冕层的高温（几百万开氏度）下，氢、氦等原子已经被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。这些带电粒子运动速度极快，以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚，射向太阳的外围，形成太阳风暴。太阳风暴的速度一般在200-800km/s。一般认为在太阳极小期，从太阳的磁场极地附近吹出的是高速太阳风暴，从太阳的磁场赤道附近吹出的是低速太阳风暴。太阳的磁场的活动性是会变化的，周期大约为11年。n太阳风暴所含的高能X射线、伽马射线以及带电粒子构成的巨大脉冲有可能摧毁所有围绕地球运转的人造天体，包括全球定位系统（GPS）以及人造通信卫星、载人航天器与国际空间站。n另外，地球上的远距离输电线构成了巨大的天线，它们在太阳风暴中会形成电流冲击变电站，可能让全地球陷入一片黑暗不但电力无法供给，臭氧层被破坏，电子通讯还可能全部停摆。它导致的经济损失可能达到1万亿到2万亿美元。形成过程n太阳风暴是太阳因能量增加向空间释放出的大量带电粒子形成的高速粒子流。所以太阳风暴中的气团主要内容是带电等离子体，并以每小时150万到300万千米的速度闯入太空。n太阳风暴随太阳黑子活动周期每11年发生一次。n它是一种太阳自身的周期性变化。n每个周期内都会有峰年，这时太阳表面会产生大耀斑和巨大的黑子群，而黑子群释放的气体和带电粒子与地球磁场发生撞击后会产生地磁冲击波，而后引发地球磁暴，这就是太阳风暴的形成过程。n太阳风暴是太阳磁场变化到一定程度导致能量爆发的产物。n太阳上不同区域的磁场互相影响，到达一个“极限点”之后如果遇上电流，就会在瞬间生成新的磁场，太阳大气中大量带电粒子向外喷发。活动周期n太阳风暴随太阳黑子活动周期每11年发生一次，当每11年周期终结时，太阳黑子数目将会下降，太阳风暴会衰减，所有都会风平浪静。n这个“太阳活动极小期”并不长久，在一年以内，黑子和风暴将逐渐变强，一个新的太阳活动高潮即将降临。n截止到2011年，人类对太阳黑子数量较为完整的记录积累了23个周期。危害n美国航天局“太阳动态观测台”发回第一组太阳风暴肆虐画面n太阳风暴期间，太阳发出的X射线和远紫外线（指波长为0.1140纳米的电磁波）、射电波（指波长为1毫米10厘米的电磁波）以及高能粒子流（如质子、粒子、电子等）等离子体云等都会大大加强，从而会引发相关的地球物理现象发生。n太阳风暴期间所射出的X射线会比平时增加1000倍，X射线的增加会大大增加地球大气中电离层的电子密度，从而使短波无线电通讯受到严重干扰，甚至会导致无线电通讯中断。n例如，1989年太阳活动22周峰年期间，一次大的太阳耀斑曾使地球上的短波无线电通讯中断达1小时以上。太阳风暴时产生的高能粒子流会使空间飞行中的一些探测仪器和计算机系统受到严重损害，并会直接威胁到太空飞行人员的生命安全。全球定位卫星GPS9783在太阳活动22周峰年期间共发生了13个位翻转错误。n太阳风暴时的高能质子会在地球的近地空间造成通量较大的太阳宇宙线事件，被称为质子事件。同时这些高能质子还会使地球两极上空的大气发生扰动，导致短波通讯中断等。太阳风暴时紫外辐射的强烈变化会直接改变地球高层大气的温度和密度，从而会使人造卫星等空间飞行器的轨道发生改变，直接威胁其运行安全。n2012年3月，英国内阁办公室发布最新民事应急国家风险名单，首次认定太阳风暴等严酷太空天气为国家安全威胁之一，可能导致供电和通信等基础设施系统大面积瘫痪，对民众生活的破坏力堪比恐怖袭击。n2012年5月6日，由中国天文学会普及工作委员会主办的2012年天文科普系列活动上，专家称2013年太阳将出现“狂飙”，届时，无线电通讯、植物的生长甚至交通事故的发生都可能受到太阳活动的影响。巨大的耀斑爆发，一次耀斑的威力将相当于100枚氢弹爆炸，瞬间撞击地球磁层。磁暴发生时，会导致人的心情烦躁，血压升高，注意力分散，于是事故频发，精神病人增多，心血管病死亡率上升。影响n1、当太阳风掠过地球时，会使电磁场发生变化，引起地磁暴、电离层暴，并影响通讯，特别是短波通讯。n2、对地面的电力网、管道发送强大元电荷，影响输电、输油、输气管线系统的安全。n3、对运行的卫星产生影响。n4、一次太阳风的辐射量对一个人来说很容易达到多次的X射线检查量。它还会引起人体免疫力的下降，很容易引起病变，也会使人情绪易波动，甚至车祸增多。n5、会使气温增高。第三节 小天体撞击灾害n在太阳系Solar System中，除了八大行星外，还存在着为数众多的小行星和彗星，这些小天体在运行中不时会接近、甚至撞上其它行星。近地天体撞到地表时，会造成一个比自身直径大10倍的洞，而实际破坏的范围更远超于此。n n可能会撞上地球的小行星或彗星统称为“近地小天体”(Near-Earth Object,NEO)，目前估计长度超过一公里的近地天体约有2000个，这些小天体万一与地球相撞，估计会造成全球1/4的人口灭绝；即使小一点的，例如长100米的小天体，也足以毁掉好几个台湾，而这种近地天体的数量估计多达30万个。何为NEONEOn太阳系中除了行星、卫星之外，还在数不清的小行星和慧星。小行星和慧星并无明确的分界，兼备两者特点的小天体很多。小行星中最大的是“谢列斯”，直径达910公里，不过大部分的小行星是直径100公里以下，而越小的行星数量越多。火星轨道与木星轨道之间存在着“小行星带”，大部分小行星是在此区域内运行，而已经充分掌握其轨道的小行星已达7500个以上。n无论是小行星或慧星，我们可以确定，轨道已知的小天体是不会碰撞地球的。但NEO的轨道接近地球时有可能改变，这是因为NEO接近水星、金星、地球和火星的机会很多，难免会受行星引力的影响而变更轨道。n未被发现的小行星当中，或许会有撞击地球的小行星。科学家认为直径1公里以下的小行星大部分尚未发现，万一此种未发现小行星撞击地球，将引发无估计的灾害，为此，设法找出发现的NEO是当务之急。撞击威力n近地天体撞到地表时，会造成一个比自身直径大10倍的洞，而实际破坏的范围更远超于此。以造成恐龙灭绝的数公里长的近地天体来看，显然全球都蒙受其难；即使小一点的，如1908年一颗仅长数十米的小天体撞上西伯利亚，也毁了方圆40公里内的森林，爆炸威力相当于600颗广岛原子弹。n撞击威力之所以会那么强大，原因在于速度太快。已知火箭脱离地球所需的速度至少每秒11公里，若地球重力吸引一颗原本静止在外层空间的小天体撞进来，撞击速度至少如此，加上近地天体在地球附近时并非静止，而是以大约每秒10几公里到数十公里的速度绕行太阳，若真的发生撞击，速度极可能超过每秒30公里。一般炮弹落地的速度还不到每秒2公里，比炮弹重千万倍以上、速度又快那么多的近地天体若撞上地表，可以想见后果有多严重撞击影响n小行星和慧星是以每秒20-60公里的极高速度运动的，在这样高速度的状态下，即使天体体积不大，仍具有极大能量。通常NEO体积越大，运动速度越快，能量就越大。n假定小行星密度为3g/cm3,且运动速度为每秒25公里时，则直径10米左右小行星的能量是0.024百万吨，此能量大于在日本广岛爆炸的原子弹，具有足够破坏一个大都市的威力。如果是直径500米的小行星，能量便增加为3000百万吨，运动速度如果再增加，则能量更大。n小天体碰撞地球可能产生的灾害有碰撞引起的爆炸，以及爆炸引起的火灾、地震和海啸。另外还有由碰撞引起尘埃扩散所带来的寒冷化，以及因氮气燃烧而产生的酸雨等灾害。nNEO碰撞地表后必然出现圆坑，圆坑直径可达碰撞天体直径的20倍左右，而深度则大概为直径的20分之1到10分之1的程度。在碰撞的同时，天体粉碎并与圆坑中的物质一起飞散，碰撞的行星能量越大，则尘埃飞散量越多。n飞散的尘埃可上升以平流层，并漂浮四方，由此引起了全球性的寒冷化现象。假设碰撞前气温为20，直径300米的小行星如果以秒速40公里进行磁撞，则气温会降到15。又小行星直径如果为500米，而秒速为30公里时，气温将会降到4。威胁程度n近地天体的轨道可分为三种：阿波罗(Apollo)、阿托恩(Aten，埃及神话中的朝之太阳神)和阿穆尔(Amor，即爱神丘比特)，其中和地球轨道相交的阿波罗和阿托恩对地球较有威胁性；另外还有一种“地内天体”(inner Earth object,IEO)，这类天体的轨道也可能很接近地球轨道，不过目前仅发现六颗。n国际天文联合会(IAU)现在的定义是：只要和地球最近距离小于0.05天文单位(AU，地球与太阳的平均距离，1AU约为1.5亿公里)且体积够大，就列为“潜在危险天体”(potentially hazardous object,PHO)。n这些天体的危险程度，则合并考虑碰撞机率以及撞击时所释放的能量，分为0到10级，数字越大表示对地球的威胁越大，称为“杜林诺灾难指数”(Torino Impact Hazard Scale)。目前只有两颗近地天体被列为2级，其它均为0级或1级。n虽然长100米的近地天体估计数量多达30万个，但目前看来对地球具有威胁性的却寥寥无几，原因就在于宇宙实在太空旷了。台湾中央大学天文所教授陈文屏举例：若地球是桌上的一粒盐，太阳就像是4米外的一颗西红柿，木星则是20米外的木瓜子；会威胁地球的近地天体主要来自10几米外的小行星带，是远比盐粒更小的颗粒，尽管有一部份公转轨道与地球公转轨道相交，但要撞上的机率还是很低。有名的撞击n最有名的一次撞击是6500万年以前，一个直径约10公里的小天体撞击在墨西哥湾的一个半岛上，所有撞击物质气化后抛射在半空，整个太阳辐射大大减弱，据科学测算地球年均温度当时一下子降低18。那次撞击后，整个地球陷入黑暗，光合作用无法进行，植物大批死亡，引发地球上各种动物大量死亡，恐龙就是在这种恶劣环境中大批灭绝，而当时地球上大约70%的物种也一道消失。关于这次撞击，科学家们在全球100多个撞击坑的地方进行研究，寻找证据，中国科学家在西藏也取得确凿证据，表明6500万年前地球确实遭到小天体撞击。n在导致恐龙灭绝前更古老的时候还有一次小天体撞击地球，大概接近80%的地球物种消失。科学家们找到的证据显示，这两次撞击后地球至少还有5次遭小天体撞击，给地球上气候环境带来巨大灾变：完全像冬天一样，温度巨降，冰盖扩大，海水倒退，整个生态环境发生巨大变化，生物大批死亡。但劫难以后，残留的生命在更恶劣的条件下以更顽强的生命继续发展，一系列新的生命、新的物种相继诞生，整个地球又非常繁荣。目前科学界提出应对“杀手”小天体的预防方法:n一是用核武器去炸掉它或改变它的运行轨道，但麻烦的是运载核武器的火箭必须在发生相撞前7年发射，而且爆炸很可能把它变成许多小“杀手”，把带有放射性的物体抛入不可预测的轨道。n二是用太空飞船撞击它，改变其轨道或把它撞碎；这种方法比较有效，但如同用核武器一样，这也可能把灾难扩大数倍。n三是用航空器给它施加压力，使它加速或减速，从而改变它的飞行方向；这种方法比较理想，但不易实行。n四是在它的表面插入一种像火箭那样的装置，让这种装置不断地喷出物质，像喷气式飞机那样，通过反作用力来推动它改变飞行方向。n五是用镜子、油漆等来影响它吸收太阳光和热量，通过热能的变化来改变其轨道；这种方法见效比较慢，需要20年左右。n六是用火箭把一面巨大的风筝形太阳帆发送到它的上面，而张开的太阳帆利用反弹太阳光子所产生的压力把它逐渐推离原来的轨道。n七是用红外激光使它的表面物质向外发散，从而产生反向加速度使它改变飞行方向；或者用超强红外激光把它摧毁成对地球无害的小碎块。n当然，还有其他的防御方法。不过，所有的方法现在都只是停留在理论设想阶段；是否切实可行，还要靠将来的实践来检验。