日地關係
正文
太陽物理學和地球物理學之間的邊緣學科，研究太陽活動產生的太陽短波輻射和粒子流對地磁場、電離層的影響，同時也研究太陽輻射、太陽活動和氣候變化之間的相關性。太陽活動對地球電離層的影響 在太陽紫外線、X射線、粒子輻射的作用下,在離地面80～100公里、100～120公里、150～500公里的三個層次內的地球大氣分子全部或部分電離,形成稱為D層、E層、F層的電離層，其中F層又可分為F1層（150～250公里）和 F2層（250～500公里）。太陽活動增強會引起地球大氣分子進一步電離，造成離子濃度增高，使電波吸收增強。在太陽耀斑爆發後，會出現一系列的電離層效應。
電離層突然騷擾(簡稱SID) 主要是由1～10埃的太陽軟X射線爆發引起的。表現為D層電離度急劇增加，引起地球向陽的半球上短波(波長為10～50米)和中波（波長為200～300米）無線電信號立即衰減或完全中斷，但一般只持續幾分鐘到1個小時。與此同時,長波和超長波信號則突然加強。這種突然騷擾有如下五種情況：
①宇宙噪音突然吸收 在一般情況下，宇宙射電噪音穿過D層可以到達地面，在耀斑發生時,可用噪音探測儀在白天記錄到電離層對宇宙噪音的吸收加強。對於已知強度的宇宙噪音，測量接收到的強度就可知道電離層吸收的程度，從而得出電離層的電離度。
②天電突然加強和信號突然加強 耀斑發生時,D層電子濃度急劇增大，電波射入 D層的深度降低，甚至會發生類似光線在鏡面上反射的現象，吸收因而減弱。此時，天空經常存在的由遠方雷電造成的極低頻（10～50千赫）信號（天電），反而加強。通常在27千赫波長反應較為靈敏。同理，來自遠方發射台的靠 D層反射傳播的長波和超長波（頻率一般是15～50千赫）信號也會因此增強。
③太陽耀斑地磁效應，又稱磁勾或磁絨 在電離層發生突然騷擾期間，E層的底部電離度突然增加,持續達數小時，使 E層的導電率隨之增加，大氣里的電流增大，從而產生感應磁場，使地磁強度發生突然變化，在地磁儀上可記錄到小的起伏，稱為磁勾。
④甚長波突然位相反常 甚長波的地波和由 D層反射的甚長波天波之間有一定的位相差，當電離層發生突然騷擾時，D層反射高度下降,這時天波和地波之間的位相差突然改變，叫作突然位相反常。利用這種效應可以測量電離層反射頂的高度。
⑤短波衰減（簡稱SWF） 耀斑的X射線使 D層的電離度突然增加，因為D層的大氣密度比F層大幾萬倍以上，所以電子與中性粒子碰撞的次數非常多。經過D層射向E層、F層並反射回地面的短波，經過D層時把能量傳給了電子而受到強烈的吸收，因而發生短波衰減，甚至中斷。
在耀斑發生時由遠紫外輻射增強引起的電離層突然騷擾有如下兩類：
①頻率突然漂移 耀斑發生時，E層和F層電離度突然增大,接受到的由F2層反射的電波的頻率突然增加,到達一個峰值後，又衰減到原來的頻率，有時會產生幾個峰值。
②F2層臨界頻率增加。
耀斑的高能粒子造成推遲的電離層效應 這一複雜現象分為兩類：
①極蓋吸收 耀斑產生的高能粒子(主要是質子)被地磁場引導到高磁緯地區，使D層電離度增加,導致中頻、高頻和甚高頻帶的無線電波的強烈吸收，稱為極蓋吸收。結果使高緯度雷達工作和無線電通訊處於“極區吸收”。它可以持續幾天，並且可能造成信號中斷。
②極光帶吸收 通常包括在極蓋吸收事件里。觀測到的頻率和極蓋吸收一樣，僅僅在覆蓋的地區、和耀斑發生的相關時間、粒子種類和能量方面與極蓋吸收不同。 太陽活動和太陽宇宙線 耀斑發生時發射出1~1,000兆電子伏能量的帶電粒子（主要是質子），因此具有能量為 1兆電子伏以上的太陽宇宙線事件常被稱為太陽質子事件。美國物理學家福布希在1946年分析了 1942年2月28日、3月7日和1946年7月25日三次宇宙線 μ介子記錄表現出的反常增強而發現了太陽宇宙線。這三次事件均與太陽大耀斑有關。太陽大耀斑的第四次宇宙線事件是1949年11月19日用中子探測器觀測到的。第五次宇宙線事件發生在 1956年2月23日的大耀斑後，對這次事件，各個台站間的記錄有很大的差異，證明宇宙線在行星際空間的傳播是各向異性的。與這次事件有關的耀斑，伴隨有白光連續輻射和Ⅳ型射電爆發(見太陽射電爆發)。太陽宇宙線伴隨Ⅳ型射電爆發，意味著高能電子和太陽宇宙線質子同時加速。人造衛星觀測也證實太陽質子事件和耀斑高能電子事件是相聯繫的。
太陽宇宙線地面增強事件是不多見的，1942～1973年期間共觀測到25次。除了兩次例外,其他23次都同3級或 4級的大耀斑有關。能量較低的極蓋吸收事件次數要多一些，在1952～1973年期間,相當於30兆赫吸收達2.5分貝以上的事件有77次。引起這些事件的耀斑在日面上的分布是不均勻的，比較集中在日面的西半邊，對於宇宙線地面增強事件來說就更加明顯，這同因太陽自轉而造成的行星際磁場的磁力線的走向有關(見太陽磁場)。
太陽活動對地磁的影響 影響最大的是磁暴。在中緯度和低緯度地區有一種典型的磁暴，它可分為四個不同的位相，即急始、初相、主相和恢復相。還有一種類似於急始磁暴的瞬時擾動，它有較小的振幅和較不明顯的突然性，這似乎來自激波或其他間斷性的行星際物質源引起的地球磁層突然的壓縮和膨脹。
此外，某些地磁擾動還有27天重現的現象，這是日地關係中最富有挑戰性的課題之一。自從1932年巴特爾斯提出太陽上存在M區作為重現性磁擾源以來,此問題長期未得解決。直到七十年代,從太陽X射線和空間探測結果才確定這個能持續發射低能粒子（高速太陽風）的源泉是冕洞。
太陽活動和地球氣候變化的關係 太陽輻射和太陽活動現象隨著時間的變化引起地球上氣候的變化。這種因果關係目前雖然沒有查明，但從統計材料分析，二者肯定是有關的。
太陽活動對氣候影響的研究,已有將近180年的歷史。1801年英國天文學家F.W.赫歇耳第一次提到，當太陽黑子少時,地面上的雨量也減少。這是在發現太陽黑子11年周期前關於太陽活動和氣候關係的最早論述。此後，瑞士天文學家R.沃爾夫研究了黑子相對數和蘇黎世城歷史上氣象要素的關係，發現黑子多時氣候乾燥，農業豐收，反之，黑子少時氣候潮濕，暴雨成災。近年來，國際上對這個問題研究的興趣與日俱增。
太陽活動對氣候變化影響的統計研究 從圖1、2、3中可以看出太陽活動與氣象的關係。圖1表示北半球三個不同地理緯度帶的降水量和黑子相對數之間的關係，可看出它們都具有11年周期。圖2雖然也表示降水量和黑子相對數的關係，但反映了太陽黑子周期中的22年磁周。圖3是大氣環流型和太陽活動的關係，反映出太陽活動的80年周期。 太陽活動對氣候變化影響的物理解釋 太陽對地球大氣的影響，從直觀來看，就是太陽的總輻射量或是某種特殊輻射(如 X射線、紫外線等)量的長期變化或瞬時變化在大氣中引起的影響。前者以太陽常數的測量作為衡量標準，後者則要藉助於空間探測器和地面的各種觀測儀器才能得到比較完整的資料。對太陽常數的長期測量結果證實它的變化小於 1％。空間探測也表明太陽常數變化是很微小的。按照一般推測,全球氣溫變化1°需要太陽常數變化1％,因此，全球性的氣候變化似乎不能用太陽常數的變化來解釋。
另一種觀點認為影響氣候的原因可能是某種特殊輻射或粒子流的變化。它們在11年周期中變動很大，有的相差幾十倍。這些增加的能量，通過直接或間接的方式傳輸到地球低層大氣就可能影響氣候的變化。二十世紀六十年代以來，在日地空間發現了太陽風和行星際磁場的扇形結構以及磁層。這些發現為上述的觀點提供了有利的依據。一些研究者構想太陽風把能量經過磁層直接傳遞到地球大氣中而引起氣候變化，這就是通常所說的直接耦合機制。另一些研究者認為，直接能量耦合不足以驅動低層大氣的運動，應該有某種“觸發機制”或是“放大機制”，把在高層大氣中的較小能量擾動轉變成在低層大氣中的較大能量擾動，這就是通常所說的間接耦合機制。這兩種機制的具體過程目前仍在探索。
太陽和天氣關係研究的重大進展 天氣變化基本上取決於對流層中的快速過程，其時間尺度遠比氣候變化為短。據幾十年的統計證明，太陽的某些快速活動過程對天氣有明顯的影響。如圖4所示，在孤立磁暴發生後三、四天內，歐洲和蘇聯的一些地區氣壓增加,而另一些地區氣壓減小。圖5反映1964～1970年的6個冬季內扇形邊界受太陽風影響 54次掃過北半球時的渦度變化:a的實線為邊界磁場極性從向日轉為背日時的情況,虛線為反向轉換時；b的實線為前半季的情況，虛線為後半季；c的實線為前三年的情況,虛線為後三年。
這些新發現，開闢了天氣學研究的新領域，為改進天氣預報展示了廣闊的前景。為了說明太陽和天氣關係的物理背景，已提出了幾種機制。例如海因斯曾構想由磁層對流產生的力矩能引起熱層以上高層大氣的環流狀況的變化，而這種變化又會改變其中行星波的反射係數。這樣，行星波就會通過反射把多餘的能量從高層大氣帶回到低層大氣中來，促使渦度產生變化。特別有趣的是從大氣電學角度所作的解釋。圖6所示的大氣全球電路，這條電路從電離層到地面，經過雷暴回到電離層。當耀斑發生或磁場扇形邊界掃過地球時，發自太陽的增強電離輻射改變了雷暴到電離層之間的電阻，因而使雷暴活動增強。伴隨著雷暴增強，還有雲的形成和降水等一系列過程。同時，這些過程中釋放出來的巨大潛熱,又推動大氣環流變動,進而造成渦度的變化。 參考書目
S.I.Akasofu and S.Chapman，Solar-terrestrial physics, Oxford Univ.Press,London,1972.
A.P.Mitra,Ionospheric effects of Solar flares,D.Reidel Publ.Co., Dordrecht, Holland,1974.
