日地關係

日地關係是電離層和氣候等方面影響的總稱。太陽是一顆基本穩定的恆星,輻射總量變化甚微。但它的外層大氣受太陽磁場支配而處於局部激烈活動中,使太陽輻射在紫外線和X 射線波段有大幅度起落。太陽活動明顯的標誌是黑子,其次為光斑、耀斑、日珥及日冕膨脹等,而最強烈和對地球影響最大的是耀斑。參見“ 耀 斑”。

基本介紹

• 中文名：日地關係
• 外文名：solar-terrestrial relationships
• 研究：太陽活動產生的太陽短波輻射等
• 太陽活動意義：太陽活動與氣象的關係等
• 含義：太陽發射能量對地球影響

定義

太陽發射的各種形式能量的變化對地球環境的影響，以及地球表面、低層大氣、電離層、磁層的相互關係。太陽的能量以電磁輻射和微粒輻射兩種形式不斷地向周圍發射出來。這些輻射經過地球時，對地球磁層、電漿層、電離層和中、低層大氣等產生影響，甚至可能影響到生物圈和氣象等。日地關係主要研究太陽發射能量的變動部分與地球物理現象之間的關係，也研究日地系統的穩定狀態，因為穩定狀態給出了衡量變動的基準。

在地球軌道處，太陽電磁輻射的總強度幾乎不變，通常用“太陽常數”表示，其值約為1.96卡/（厘米2·分）。太陽電磁輻射對地球表面和大氣層的加熱，形成了大氣層的溫度垂直分布結構和大氣環流，尤其是在對流層中造成了各種複雜的大氣現象。太陽電磁輻射中，波長短於1400埃的紫外部分，是造成地球大氣電離層和臭氧層的主要電離源。太陽微粒輻射在穩定狀態下即為太陽風，它與地球磁場作用形成了地球磁層。

太陽上經常發生各種複雜的活動過程，如太陽黑子、耀斑、譜斑、暗條、冕洞和射電爆發等。太陽活動時電磁輻射強度發生變化，變化較大的譜段為波長小於100埃的軟X射線部分，可變化2～3倍之多。8埃以下的輻射通量，可隨太陽活動的增強而增大幾百倍。太陽活動還往往伴隨著太陽宇宙線的發射。太陽輻射的這些變化，會造成近地環境的變化。

日地關係是一個多學科的課題。日地關係的研究對於認識太陽和行星的相互關係有重要的科學意義。隨著日地關係研究的進展，人類將逐漸提高預測環境變化的能力，包括對於天氣和氣候、宇航環境和生物圈狀況的預測。這對工農業生產、交通運輸、水文氣象、衛生保健、通信廣播和開發空間資源以及加強國防事業都有實用價值。

目前，大多數日地關係方面的研究結果都還不是定量的。全世界有關領域的科學工作者，都在致力於解決日地關係根本機制問題。其中認識比較一致的是太陽活動對磁層、電離層的影響，而太陽活動與天氣、氣候的關係，以及太陽活動和生物圈的關係，也是很活躍的科研領域。

太陽與地球

太陽活動與地球物理現象的關係

當太陽耀斑出現時，太陽的軟X射線能夠到達電離層低層，和中性大氣成分相互作用，產生電離，造成短期內電離度突然增加，形成電離層突然騷擾（SID），來自地球外的無線電噪聲經過D層時會被強烈吸收。這會在電波傳播方面產生一系列異常現象：如低層大氣內來自遠方雷電的長波或地球表面發出的長波（波長約6000～20000米）信號會被增強；地面發出的甚長波與天波信號間位相差突然增大；地面發出的短波無線電信號被地面接收時，已兩次經過D層，信號強度大為減弱等。太陽短波輻射增強的另一地球物理效應，是在電離層電離強度增加後，造成壽命短暫的電流體系，這種電流產生的磁場變化在地磁學中稱為鉤擾。太陽正處在天頂附近時，鉤擾較大，鉤擾常常是磁暴出現的先兆。太陽的紫外輻射(1750～2420埃）能在大氣中形成臭氧層。根據1974年以前約40年的臭氧觀測資料分析，臭氧總含量似有平均11年變化的趨勢。太陽黑子極大年以後的第4年前後，臭氧總含量呈現峰值。大氣臭氧在生成和消失的過程中，也吸收其他譜段的紫外輻射和地球的熱輻射。臭氧吸收電磁輻射以後，最終會把一大部分能量轉化為熱能，從而對於大氣的熱平衡產生作用。另外，臭氧吸收電磁輻射後對推動平流層和中層大氣的風系，和決定對流層的高度都具有相當大的作用。臭氧層吸收大部分的太陽紫外線，使得地球上的生物免受太陽紫外線的直接的強烈照射，因此對地球上生物的生存有重大意義。太陽風到達地球附近和地磁場相互作用後，把地磁場約束在一個範圍內，這個範圍就是磁層。磁層是許多地球物理現象發生的區域。太陽活動有平均約11年變化的周期。在11年內，太陽活動最強的年份稱為太陽活動極大年，太陽活動最弱的年份稱為太陽活動極小年，極大年和極小年之間平均約隔 5年多。如果把太陽上前導黑子和後續黑子的磁極性的變化也考慮在內，太陽活動的平均周期就是22年。太陽黑子數是量度太陽活動程度常用的一個參數，太陽黑子多就標誌著太陽活動強。在太陽黑子極大年附近，太陽上常出現色球爆發現象（即出現耀斑），在短時間內（幾分鐘到幾小時內）太陽的電磁輻射和粒子輻射常有極大的增強，太陽上一些區域發出較強的太陽風粒子。當這樣的太陽風到達地球後即形成磁暴。

對地球而言，太陽的自轉周期是27天。如果太陽上一個局部區域的活動持續27天以上，而這種活動又能在地球上產生影響，那么隨著太陽的自轉，若干地球物理現象就有27天重現性，特別是在太陽活動比較弱的年份，這種重現性更明顯。例如地磁活動就有這種重現性。

在地球極區，太陽風中的帶電粒子到達地球後，經過複雜的電動力學和磁流體力學過程進入離地面100～350公里的高空，與大氣相互作用而形成極光。出現極光最頻繁的地帶是所謂極光帶，在中等磁擾情況下，極光出現在磁緯70°附近。在地磁擾動強烈時，極光出現的位置向低緯方向移動；磁暴消失後，才恢復到原來緯度。太陽活動比較強的年份，極光出現的頻次多，這種頻次的多少，呈現大約以11年為周期的規律。

在極蓋區，太陽上出現大耀斑後的幾小時到一天多的時間內，離地面50～90公里高度範圍內的大氣成分被太陽耀斑發出的20～50兆電子伏的質子電離。這時自地球外進入地球大氣層內的高頻（約 1～50兆赫）無線電波（即宇宙射電噪聲），大部分會被這層大氣強烈吸收，到達地面時的強度大大減弱，這就是極蓋吸收事件。在這種事件出現期間，極區的無線電通信和經過極區的電路的通信會受到影響，嚴重時通信中斷。

地面上接收到的銀河宇宙線強度與太陽活動有密切關係。在太陽活動極大年份，地面上能接收到能量在1011電子伏以下強度較低的銀河宇宙線；但在太陽活動極小年份，接收到的銀河宇宙線強度反而較大，可以大到極大年的兩倍。因此，地面上能接收到的銀河宇宙線的強度也呈11年的變化。產生這種現象的原因，是行星際空間的介質狀況受到太陽活動強弱變化的影響（見宇宙線太陽調製）。

太陽活動的強弱，通過太陽遠紫外線的加熱作用，對高層大氣的密度也有明顯的效應。例如在 700公里的高空，1958年（太陽活動極大年）白天大氣的密度是1963年（太陽活動極小年附近）的40多倍，即使在同一年內，黑子較多的時候高層大氣的密度也比黑子較少的時候大。太陽紫外線強度有11年變化和27天變化，高層大氣的密度除有11年變化外也有27天變化。

太陽與氣象

太陽活動與氣象的關係

日地關係另一重要的方面是太陽活動與天氣、氣候的關係。自20世紀70年代初以來，世界上越來越多的科學家在關心和從事這一方面的工作。但是迄今為止，太陽活動和氣象有無關係，仍是一個有爭議的問題。天氣和氣候的變化主要發生在地球大氣最下層，即對流層。而太陽的電磁輻射，除可見光和一部分無線電波及近紫外線以外，其餘部分如X射線波段和中、遠紫外部分，以及絕大部分的太陽粒子輻射，都很難到達大氣低層；太陽活動的時間尺度與天氣、氣候變化的時間尺度也不完全一致。迄今為止，也未發現太陽活動與天氣、氣候之間有明確的物理、化學過程方面的直接聯繫，但是也找到過若干事例說明太陽活動的某些指數與天氣、氣候的某些因素之間存在著統計的相關關係。例如，太陽活動與氣溫、氣壓、降水、乾旱、洪澇、大氣環流、風暴路徑、雷暴、渦旋面積指數，甚至冰川進退、湖面水位起伏等，在若干地區和若干時期以內都曾有過現象間的相關聯繫。但是這些結果所根據的觀測資料尚不夠全面，時間序列也不夠長，並且常常是屬於區域性的，還不能解釋全球範圍內氣候、天氣與太陽活動的一般關係。這一問題仍在探索中。70年代以來，通過對於空間電場的探測和研究，還發現在高緯度區域熱層高度上存在著因太陽風流動而產生的電場，隨太陽風而變化，並能穿透到低緯度區域。大氣發電機制在低緯度區域也能產生一種電場。這兩種電場向下映射，併疊加在全球雷暴所建立的電場上，對全球大氣電路會發生影響。另外，全球大氣電路的電導率分布受太陽耀斑活動強弱的調製。這樣太陽 X射線輻射、太陽質子事件和銀河宇宙線強度等變化因素，有可能形成一種影響地球天氣的太陽活動機制。

太陽與生物圈

太陽活動與生物圈的關係

這也是日地關係的一個重要的方面。地球上的生物，賴以生存的光和熱，直接或間接都來自太陽。太陽活動的變化自然會對生物產生若干效應，例如樹木年輪的增長、糧食的收穫量、蝗蟲的飛行、魚類的繁殖和回遊、人體中白血球數的變化和神經病症的發展等，似乎都和太陽活動有一定關係。太陽的電磁輻射中，波長在0.32～0.29微米的這一部分能透過臭氧層到達地面，儘管它的強度已被大大減弱，但它還是能夠破壞生物體內的核糖核酸和蛋白質，倘若這種輻射增強，細胞就容易受到破壞。從另一方面來說，人體產生維生素D和植物進行光合作用，也需要一定強度的這種輻射。但是這部分輻射到達地面時的強弱與大氣層中臭氧的含量和分布有關，而臭氧層是受太陽活動控制的。太陽活動對於生物的效應中有一部分是間接的，它是通過太陽風和磁層相互作用產生的電磁場來影響生物的。如心血管疾病的發生與磁暴的出現有關，酶在磁暴期間活性減低，有些動物在自然界0.1～1赫的超低頻電磁場作用下心臟節律發生變化等等。

在一般的日地關係實驗研究中，絕大多數是在自然條件下進行觀測。而在太陽活動對生物圈效應的研究中，有一部分實驗可以在模擬自然界狀況的人工環境內進行，例如在磁暴和超低頻電磁脈動模擬裝置中，實驗血液膠體系統所發生的變化，有利於考察心血管病的發生與太陽活動的關係。由這種模擬實驗室所得的資料，可以用來驗證在自然條件下由觀測統計所得的結果。

太陽活動與生物圈關係的研究，有助於探討地球和行星上生命的形成和演化，也有助於衛生、保健、農業、宇航等事業的發展。

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日地關係

solar-terrestrial relationship

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。

太陽與電離層

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。

SID

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：

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。

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。

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。

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。

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。

電離層效應

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：

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。

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）。

太陽與地磁

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。

太陽與氣候

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。

太陽與天氣

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。