第二章 天文災(zāi)害[詳版課資]

1、二 天文災(zāi)害,1,課堂優(yōu)質(zhì),二、天文災(zāi)害主要內(nèi)容,第一節(jié) 天文災(zāi)害概述（2周） 第二節(jié) 太陽風(fēng)暴（2周） 第三節(jié) 小天體撞擊災(zāi)害（3周）,2,課堂優(yōu)質(zhì),3,課堂優(yōu)質(zhì),第一節(jié) 天文災(zāi)害概述,一、天文災(zāi)害和地球宇宙環(huán)境 （一）天文災(zāi)害的概念 天文災(zāi)害既包括直接危害人類活動(dòng)的各種天文現(xiàn)象,也包括作為誘發(fā)因素影響地球?yàn)?zāi)害系統(tǒng)的各種天文現(xiàn)象。其中，前者包括太陽活動(dòng)及太陽系小天體撞擊地球造成的直接的災(zāi)難，后者既包含太陽所處的銀河系和太陽系環(huán)境,又包括行星、月球以至地球自身所導(dǎo)致的各種影響地球?yàn)?zāi)害系統(tǒng)的因素。,4,課堂優(yōu)質(zhì),天文災(zāi)害的表現(xiàn)形式,天文災(zāi)害的表現(xiàn)形式有隕石墜落、小行星碰撞、彗星碰撞、強(qiáng)宇宙射線沖

2、擊、地球軌道等。 其中，對地球有巨大影響的主要有： 宇宙天體撞擊地球、 太陽活動(dòng)異常、 鄰近恒星災(zāi)變等。,5,課堂優(yōu)質(zhì),（二）天文災(zāi)害的特點(diǎn),1、時(shí)間上具有周期性和隨機(jī)性。 天體的運(yùn)行及變化具有一定的周期性，天文災(zāi)害及由天文現(xiàn)象引起的各種地球系統(tǒng)災(zāi)害也具有時(shí)間的周期性。 例如，太陽黑子、耀斑、高能粒子流等太陽活動(dòng)現(xiàn)象的強(qiáng)弱變化有11年、88年等不同周期，日月潮汐現(xiàn)象具有日變化、月變化及年變化的周期，流星雨現(xiàn)象由于其母體彗星的運(yùn)行也有一定的周期，由于太陽在銀河系的運(yùn)行引起的太陽輻射變化及其他災(zāi)害具有25億年的周期。,6,課堂優(yōu)質(zhì),影響天體運(yùn)動(dòng)和變化的各種因素十分復(fù)雜，各種天文災(zāi)害的發(fā)生強(qiáng)度、發(fā)生

3、時(shí)間及發(fā)生區(qū)域又具有一定的隨機(jī)性。,7,課堂優(yōu)質(zhì),2、在空間上既有全球性又有區(qū)域性 天文災(zāi)害影響人類的太空探測及人類在地球上的活動(dòng)。有的天文災(zāi)害具有全球性影響，有的則只對局部地區(qū)造成危害。例如，小規(guī)模的隕星撞擊現(xiàn)象只對局部區(qū)域產(chǎn)生危害甚至災(zāi)害，直徑在5km以上的小行星或彗星的撞擊則會(huì)造成全球性的災(zāi)難，甚至造成人類的毀滅。,8,課堂優(yōu)質(zhì),3、具有突發(fā)性和隱蔽性 人類對宇宙的觀測范圍還很小，天文災(zāi)害從孕災(zāi)到成災(zāi)的時(shí)間短，致使天文災(zāi)害的防御困難。,9,課堂優(yōu)質(zhì),4、能量巨大，防御困難 一個(gè)太陽耀斑產(chǎn)生的能量在100億顆百萬噸氫彈的能量。,10,課堂優(yōu)質(zhì),5、具有復(fù)雜的災(zāi)害鏈 影響整個(gè)地球系統(tǒng)，引起復(fù)

4、雜的連鎖反應(yīng)，其造成的各種災(zāi)害種類多樣，預(yù)測困難。,11,課堂優(yōu)質(zhì),（三）地球的天文環(huán)境,12,課堂優(yōu)質(zhì),第二節(jié) 太陽風(fēng)暴,太陽風(fēng)暴：太陽釋放出大量的粒子流,13,課堂優(yōu)質(zhì),14,課堂優(yōu)質(zhì),二、太陽活動(dòng)對地球環(huán)境的影響,（一）太陽風(fēng)暴和空間天氣 太陽外層大氣受太陽磁場的支配，處于局部的激烈運(yùn)動(dòng)中稱為太陽活動(dòng)。 廣義的太陽活動(dòng)是指發(fā)生在光球、色球和日冕內(nèi)的各種復(fù)雜的變化現(xiàn)象即指發(fā)生在太陽大氣層局部區(qū)域的、在有限時(shí)間間隔內(nèi)的各種物理過程的總稱。 太陽活動(dòng)又叫太陽擾動(dòng)，天文學(xué)家根據(jù)太陽活動(dòng)現(xiàn)象的變化速度常把太陽分為寧靜太陽和擾動(dòng)太陽，前者是指活動(dòng)處于低潮期的太陽。后者乃指活動(dòng)處于高潮期的太陽。太陽風(fēng)

5、暴是劇烈太陽活動(dòng)及其在日地空間引起的強(qiáng)烈物理效應(yīng)的通俗說法。正如地球大氣中的風(fēng)暴有風(fēng)、云、雨、雪、電閃、雷鳴等多種現(xiàn)象，太陽大氣中的風(fēng)暴也有多種現(xiàn)象，黑子、耀斑、日珥暴發(fā)、日冕物質(zhì)拋射都是太陽風(fēng)暴的現(xiàn)象。,15,課堂優(yōu)質(zhì),16,課堂優(yōu)質(zhì),17,課堂優(yōu)質(zhì),18,課堂優(yōu)質(zhì),19,課堂優(yōu)質(zhì),（二）太陽活動(dòng)的影響,太陽活動(dòng)現(xiàn)象可依照其宏觀參量的變化率的高、低分為爆發(fā)型太陽活動(dòng)和緩變型太陽活動(dòng)兩類。 太陽大氣中的異常結(jié)構(gòu)，如太陽黑子群、光斑、譜斑、寧靜日珥、日冕凝聚區(qū)和冕洞等都屬于緩變型太陽活動(dòng)。 這些活動(dòng)現(xiàn)象在幾何尺度上、位置上火能力方面的變化速度相對于暴發(fā)型提樣活動(dòng)而言具有緩慢的變化率。,20,課堂

6、優(yōu)質(zhì),第二節(jié) 太陽風(fēng)暴,21,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風(fēng)暴是指在太陽的日冕層的高溫（幾百萬開氏度）下，氫、氦等原子已經(jīng)被電離成帶正電的質(zhì)子、氦原子核和帶負(fù)電的自由電子等。這些帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，射向太陽的外圍，形成太陽風(fēng)暴。 太陽風(fēng)暴的速度一般在200-800km/s。 一般認(rèn)為在太陽極小期，從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風(fēng)暴，從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風(fēng)暴。太陽的磁場的活動(dòng)性是會(huì)變化的，周期大約為11年。,22,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風(fēng)暴所含的高能X射線、伽馬射線以及帶電粒子構(gòu)成的巨大脈沖有可能摧毀所有圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的人造天體，包括全球定位系統(tǒng)（GPS）

7、以及人造通信衛(wèi)星、載人航天器與國際空間站。 另外，地球上的遠(yuǎn)距離輸電線構(gòu)成了巨大的天線，它們在太陽風(fēng)暴中會(huì)形成電流沖擊變電站，可能讓全地球陷入一片黑暗不但電力無法供給，臭氧層被破壞，電子通訊還可能全部停擺。它導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失可能達(dá)到1萬億到2萬億美元。,23,課堂優(yōu)質(zhì),形成過程,太陽風(fēng)暴是太陽因能量增加向空間釋放出的大量帶電粒子形成的高速粒子流。所以太陽風(fēng)暴中的氣團(tuán)主要內(nèi)容是帶電等離子體，并以每小時(shí)150萬到300萬千米的速度闖入太空。 太陽風(fēng)暴隨太陽黑子活動(dòng)周期每11年發(fā)生一次。 它是一種太陽自身的周期性變化。 每個(gè)周期內(nèi)都會(huì)有峰年，這時(shí)太陽表面會(huì)產(chǎn)生大耀斑和巨大的黑子群，而黑子群釋放的氣體和

8、帶電粒子與地球磁場發(fā)生撞擊后會(huì)產(chǎn)生地磁沖擊波，而后引發(fā)地球磁暴，這就是太陽風(fēng)暴的形成過程。,24,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風(fēng)暴是太陽磁場變化到一定程度導(dǎo)致能量爆發(fā)的產(chǎn)物。 太陽上不同區(qū)域的磁場互相影響，到達(dá)一個(gè)“極限點(diǎn)”之后如果遇上電流，就會(huì)在瞬間生成新的磁場，太陽大氣中大量帶電粒子向外噴發(fā)。,25,課堂優(yōu)質(zhì),活動(dòng)周期,太陽風(fēng)暴隨太陽黑子活動(dòng)周期每11年發(fā)生一次，當(dāng)每11年周期終結(jié)時(shí)，太陽黑子數(shù)目將會(huì)下降，太陽風(fēng)暴會(huì)衰減，所有都會(huì)風(fēng)平浪靜。 這個(gè)“太陽活動(dòng)極小期”并不長久，在一年以內(nèi)，黑子和風(fēng)暴將逐漸變強(qiáng)，一個(gè)新的太陽活動(dòng)高潮即將降臨。 截止到2011年，人類對太陽黑子數(shù)量較為完整的記錄積累了23個(gè)周期

9、。,26,課堂優(yōu)質(zhì),危害,美國航天局“太陽動(dòng)態(tài)觀測臺”發(fā)回第一組太陽風(fēng)暴肆虐畫面 太陽風(fēng)暴期間，太陽發(fā)出的X射線和遠(yuǎn)紫外線（指波長為0.1140納米的電磁波）、射電波（指波長為1毫米10厘米的電磁波）以及高能粒子流（如質(zhì)子、粒子、電子等）等離子體云等都會(huì)大大加強(qiáng)，從而會(huì)引發(fā)相關(guān)的地球物理現(xiàn)象發(fā)生。,27,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風(fēng)暴期間所射出的X射線會(huì)比平時(shí)增加1000倍，X射線的增加會(huì)大大增加地球大氣中電離層的電子密度，從而使短波無線電通訊受到嚴(yán)重干擾，甚至?xí)?dǎo)致無線電通訊中斷。 例如，1989年太陽活動(dòng)22周峰年期間，一次大的太陽耀斑曾使地球上的短波無線電通訊中斷達(dá)1小時(shí)以上。太陽風(fēng)暴時(shí)產(chǎn)生的高能粒

10、子流會(huì)使空間飛行中的一些探測儀器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p害，并會(huì)直接威脅到太空飛行人員的生命安全。全球定位衛(wèi)星GPS9783在太陽活動(dòng)22周峰年期間共發(fā)生了13個(gè)位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。,28,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風(fēng)暴時(shí)的高能質(zhì)子會(huì)在地球的近地空間造成通量較大的太陽宇宙線事件，被稱為質(zhì)子事件。同時(shí)這些高能質(zhì)子還會(huì)使地球兩極上空的大氣發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致短波通訊中斷等。太陽風(fēng)暴時(shí)紫外輻射的強(qiáng)烈變化會(huì)直接改變地球高層大氣的溫度和密度，從而會(huì)使人造衛(wèi)星等空間飛行器的軌道發(fā)生改變，直接威脅其運(yùn)行安全。,29,課堂優(yōu)質(zhì),2012年3月，英國內(nèi)閣辦公室發(fā)布最新民事應(yīng)急國家風(fēng)險(xiǎn)名單，首次認(rèn)定太陽風(fēng)暴等嚴(yán)酷太空天氣為國家安全威脅之一，

11、可能導(dǎo)致供電和通信等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)大面積癱瘓，對民眾生活的破壞力堪比恐怖襲擊。,30,課堂優(yōu)質(zhì),2012年5月6日，由中國天文學(xué)會(huì)普及工作委員會(huì)主辦的2012年天文科普系列活動(dòng)上，專家稱2013年太陽將出現(xiàn)“狂飆”，屆時(shí)，無線電通訊、植物的生長甚至交通事故的發(fā)生都可能受到太陽活動(dòng)的影響。巨大的耀斑爆發(fā)，一次耀斑的威力將相當(dāng)于100枚氫彈爆炸，瞬間撞擊地球磁層。磁暴發(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人的心情煩躁，血壓升高，注意力分散，于是事故頻發(fā)，精神病人增多，心血管病死亡率上升。,31,課堂優(yōu)質(zhì),影響,1、當(dāng)太陽風(fēng)掠過地球時(shí)，會(huì)使電磁場發(fā)生變化，引起地磁暴、電離層暴，并影響通訊，特別是短波通訊。 2、對地面的電力網(wǎng)

12、、管道發(fā)送強(qiáng)大元電荷，影響輸電、輸油、輸氣管線系統(tǒng)的安全。 3、對運(yùn)行的衛(wèi)星產(chǎn)生影響。 4、一次太陽風(fēng)的輻射量對一個(gè)人來說很容易達(dá)到多次的X射線檢查量。它還會(huì)引起人體免疫力的下降，很容易引起病變，也會(huì)使人情緒易波動(dòng)，甚至車禍增多。 5、會(huì)使氣溫增高。,32,課堂優(yōu)質(zhì),第三節(jié) 小天體撞擊災(zāi)害,在太陽系Solar System中，除了八大行星外，還存在著為數(shù)眾多的小行星和彗星，這些小天體在運(yùn)行中不時(shí)會(huì)接近、甚至撞上其它行星。近地天體撞到地表時(shí)，會(huì)造成一個(gè)比自身直徑大10倍的洞，而實(shí)際破壞的范圍更遠(yuǎn)超于此。,33,課堂優(yōu)質(zhì),可能會(huì)撞上地球的小行星或彗星統(tǒng)稱為“近地小天體”(Near-Earth Ob

13、ject, NEO)，目前估計(jì)長度超過一公里的近地天體約有2000個(gè)，這些小天體萬一與地球相撞，估計(jì)會(huì)造成全球1/4的人口滅絕；即使小一點(diǎn)的，例如長100米的小天體，也足以毀掉好幾個(gè)臺灣，而這種近地天體的數(shù)量估計(jì)多達(dá)30萬個(gè)。,34,課堂優(yōu)質(zhì),何為NEO,太陽系中除了行星、衛(wèi)星之外，還在數(shù)不清的小行星和慧星。小行星和慧星并無明確的分界，兼?zhèn)鋬烧咛攸c(diǎn)的小天體很多。小行星中最大的是“謝列斯”，直徑達(dá)910公里，不過大部分的小行星是直徑100公里以下，而越小的行星數(shù)量越多?；鹦擒壍琅c木星軌道之間存在著“小行星帶”，大部分小行星是在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，而已經(jīng)充分掌握其軌道的小行星已達(dá)7500個(gè)以上。 無論是

14、小行星或慧星，我們可以確定，軌道已知的小天體是不會(huì)碰撞地球的。但NEO的軌道接近地球時(shí)有可能改變，這是因?yàn)镹EO接近水星、金星、地球和火星的機(jī)會(huì)很多，難免會(huì)受行星引力的影響而變更軌道。 未被發(fā)現(xiàn)的小行星當(dāng)中，或許會(huì)有撞擊地球的小行星?？茖W(xué)家認(rèn)為直徑1公里以下的小行星大部分尚未發(fā)現(xiàn)，萬一此種未發(fā)現(xiàn)小行星撞擊地球，將引發(fā)無估計(jì)的災(zāi)害，為此，設(shè)法找出發(fā)現(xiàn)的NEO是當(dāng)務(wù)之急。,35,課堂優(yōu)質(zhì),撞擊威力,近地天體撞到地表時(shí)，會(huì)造成一個(gè)比自身直徑大10倍的洞，而實(shí)際破壞的范圍更遠(yuǎn)超于此。以造成恐龍滅絕的數(shù)公里長的近地天體來看，顯然全球都蒙受其難；即使小一點(diǎn)的，如1908年一顆僅長數(shù)十米的小天體撞上西伯利亞

15、，也毀了方圓40公里內(nèi)的森林，爆炸威力相當(dāng)于600顆廣島原子彈。 撞擊威力之所以會(huì)那么強(qiáng)大，原因在于速度太快。已知火箭脫離地球所需的速度至少每秒11公里，若地球重力吸引一顆原本靜止在外層空間的小天體撞進(jìn)來，撞擊速度至少如此，加上近地天體在地球附近時(shí)并非靜止，而是以大約每秒10幾公里到數(shù)十公里的速度繞行太陽，若真的發(fā)生撞擊，速度極可能超過每秒30公里。一般炮彈落地的速度還不到每秒2公里，比炮彈重千萬倍以上、速度又快那么多的近地天體若撞上地表，可以想見后果有多嚴(yán)重,36,課堂優(yōu)質(zhì),撞擊影響,小行星和慧星是以每秒20-60公里的極高速度運(yùn)動(dòng)的，在這樣高速度的狀態(tài)下，即使天體體積不大，仍具有極大能量。

16、通常NEO體積越大，運(yùn)動(dòng)速度越快，能量就越大。 假定小行星密度為3g/cm3,且運(yùn)動(dòng)速度為每秒25公里時(shí)，則直徑10米左右小行星的能量是0.024百萬噸，此能量大于在日本廣島爆炸的原子彈，具有足夠破壞一個(gè)大都市的威力。如果是直徑500米的小行星，能量便增加為3000百萬噸，運(yùn)動(dòng)速度如果再增加，則能量更大。 小天體碰撞地球可能產(chǎn)生的災(zāi)害有碰撞引起的爆炸，以及爆炸引起的火災(zāi)、地震和海嘯。另外還有由碰撞引起塵埃擴(kuò)散所帶來的寒冷化，以及因氮?dú)馊紵a(chǎn)生的酸雨等災(zāi)害。 NEO碰撞地表后必然出現(xiàn)圓坑，圓坑直徑可達(dá)碰撞天體直徑的20倍左右，而深度則大概為直徑的20分之1到10分之1的程度。在碰撞的同時(shí)，天體

17、粉碎并與圓坑中的物質(zhì)一起飛散，碰撞的行星能量越大，則塵埃飛散量越多。 飛散的塵埃可上升以平流層，并漂浮四方，由此引起了全球性的寒冷化現(xiàn)象。假設(shè)碰撞前氣溫為20，直徑300米的小行星如果以秒速40公里進(jìn)行磁撞，則氣溫會(huì)降到15。又小行星直徑如果為500米，而秒速為30公里時(shí)，氣溫將會(huì)降到4。,37,課堂優(yōu)質(zhì),威脅程度,近地天體的軌道可分為三種：阿波羅(Apollo)、阿托恩(Aten，埃及神話中的朝之太陽神)和阿穆爾(Amor，即愛神丘比特)，其中和地球軌道相交的阿波羅和阿托恩對地球較有威脅性；另外還有一種“地內(nèi)天體”(inner Earth object, IEO)，這類天體的軌道也可能很接近

18、地球軌道，不過目前僅發(fā)現(xiàn)六顆。 國際天文聯(lián)合會(huì)(IAU)現(xiàn)在的定義是：只要和地球最近距離小于0.05天文單位(AU，地球與太陽的平均距離，1AU約為1.5億公里)且體積夠大，就列為“潛在危險(xiǎn)天體”(potentially hazardous object, PHO)。 這些天體的危險(xiǎn)程度，則合并考慮碰撞機(jī)率以及撞擊時(shí)所釋放的能量，分為0到10級，數(shù)字越大表示對地球的威脅越大，稱為“杜林諾災(zāi)難指數(shù)”(Torino Impact Hazard Scale)。目前只有兩顆近地天體被列為2級，其它均為0級或1級。 雖然長100米的近地天體估計(jì)數(shù)量多達(dá)30萬個(gè)，但目前看來對地球具有威脅性的卻寥寥無幾，原

19、因就在于宇宙實(shí)在太空曠了。臺灣中央大學(xué)天文所教授陳文屏舉例：若地球是桌上的一粒鹽，太陽就像是4米外的一顆西紅柿，木星則是20米外的木瓜子；會(huì)威脅地球的近地天體主要來自10幾米外的小行星帶，是遠(yuǎn)比鹽粒更小的顆粒，盡管有一部份公轉(zhuǎn)軌道與地球公轉(zhuǎn)軌道相交，但要撞上的機(jī)率還是很低。,38,課堂優(yōu)質(zhì),有名的撞擊,最有名的一次撞擊是6500萬年以前，一個(gè)直徑約10公里的小天體撞擊在墨西哥灣的一個(gè)半島上，所有撞擊物質(zhì)氣化后拋射在半空，整個(gè)太陽輻射大大減弱，據(jù)科學(xué)測算地球年均溫度當(dāng)時(shí)一下子降低18。那次撞擊后，整個(gè)地球陷入黑暗，光合作用無法進(jìn)行，植物大批死亡，引發(fā)地球上各種動(dòng)物大量死亡，恐龍就是在這種惡劣環(huán)境中大批滅絕，而當(dāng)時(shí)地球上大約70%的物種也一道消失。關(guān)于這次撞擊，科學(xué)家們在全球100多個(gè)撞擊坑的地方進(jìn)行研究，尋找證據(jù)，中國科學(xué)家在西藏也取得確鑿證據(jù)，表明6500萬年前地球確實(shí)遭到小天體撞擊。,39,課堂優(yōu)質(zhì),在導(dǎo)致恐龍滅絕前更古老的時(shí)候還有一次小天體撞擊地球，大概接近80%的地球物種消失?？茖W(xué)家們找到的證據(jù)顯示，這兩次撞擊后地球至少還有5次遭小天體撞