第二章 天文災害[詳版課資]

1、二 天文災害,1,課堂優(yōu)質(zhì),二、天文災害主要內(nèi)容,第一節(jié) 天文災害概述（2周） 第二節(jié) 太陽風暴（2周） 第三節(jié) 小天體撞擊災害（3周）,2,課堂優(yōu)質(zhì),3,課堂優(yōu)質(zhì),第一節(jié) 天文災害概述,一、天文災害和地球宇宙環(huán)境 （一）天文災害的概念 天文災害既包括直接危害人類活動的各種天文現(xiàn)象,也包括作為誘發(fā)因素影響地球災害系統(tǒng)的各種天文現(xiàn)象。其中，前者包括太陽活動及太陽系小天體撞擊地球造成的直接的災難，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致的各種影響地球災害系統(tǒng)的因素。,4,課堂優(yōu)質(zhì),天文災害的表現(xiàn)形式,天文災害的表現(xiàn)形式有隕石墜落、小行星碰撞、彗星碰撞、強宇宙射線沖

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、 太陽活動異常、 鄰近恒星災變等。,5,課堂優(yōu)質(zhì),（二）天文災害的特點,1、時間上具有周期性和隨機性。 天體的運行及變化具有一定的周期性，天文災害及由天文現(xiàn)象引起的各種地球系統(tǒng)災害也具有時間的周期性。 例如，太陽黑子、耀斑、高能粒子流等太陽活動現(xiàn)象的強弱變化有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行也有一定的周期，由于太陽在銀河系的運行引起的太陽輻射變化及其他災害具有25億年的周期。,6,課堂優(yōu)質(zhì),影響天體運動和變化的各種因素十分復雜，各種天文災害的發(fā)生強度、發(fā)生

3、時間及發(fā)生區(qū)域又具有一定的隨機性。,7,課堂優(yōu)質(zhì),2、在空間上既有全球性又有區(qū)域性 天文災害影響人類的太空探測及人類在地球上的活動。有的天文災害具有全球性影響，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)生危害甚至災害，直徑在5km以上的小行星或彗星的撞擊則會造成全球性的災難，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，天文災害從孕災到成災的時間短，致使天文災害的防御困難。,9,課堂優(yōu)質(zhì),4、能量巨大，防御困難 一個太陽耀斑產(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、具有復雜的災害鏈 影響整個地球系統(tǒng)，引起復

4、雜的連鎖反應，其造成的各種災害種類多樣，預測困難。,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) 太陽風暴,太陽風暴：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、太陽活動對地球環(huán)境的影響,（一）太陽風暴和空間天氣 太陽外層大氣受太陽磁場的支配，處于局部的激烈運動中稱為太陽活動。 廣義的太陽活動是指發(fā)生在光球、色球和日冕內(nèi)的各種復雜的變化現(xiàn)象即指發(fā)生在太陽大氣層局部區(qū)域的、在有限時間間隔內(nèi)的各種物理過程的總稱。 太陽活動又叫太陽擾動，天文學家根據(jù)太陽活動現(xiàn)象的變化速度常把太陽分為寧靜太陽和擾動太陽，前者是指活動處于低潮期的太陽。后者乃指活動處于高潮期的太陽。太陽風

5、暴是劇烈太陽活動及其在日地空間引起的強烈物理效應的通俗說法。正如地球大氣中的風暴有風、云、雨、雪、電閃、雷鳴等多種現(xiàn)象，太陽大氣中的風暴也有多種現(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）太陽活動的影響,太陽活動現(xiàn)象可依照其宏觀參量的變化率的高、低分為爆發(fā)型太陽活動和緩變型太陽活動兩類。 太陽大氣中的異常結構，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。 這些活動現(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) 太陽風暴,21,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風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、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快，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，形成太陽風暴。 太陽風暴的速度一般在200-800km/s。 一般認為在太陽極小期，從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風暴，從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風暴。太陽的磁場的活動性是會變化的，周期大約為11年。,22,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風暴所含的高能X射線、伽馬射線以及帶電粒子構成的巨大脈沖有可能摧毀所有圍繞地球運轉的人造天體，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，地球上的遠距離輸電線構成了巨大的天線，它們在太陽風暴中會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。它導致的經(jīng)濟損失可能達到1萬億到2萬億美元。,23,課堂優(yōu)質(zhì),形成過程,太陽風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。所以太陽風暴中的氣團主要內(nèi)容是帶電等離子體，并以每小時150萬到300萬千米的速度闖入太空。 太陽風暴隨太陽黑子活動周期每11年發(fā)生一次。 它是一種太陽自身的周期性變化。 每個周期內(nèi)都會有峰年，這時太陽表面會產(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)生撞擊后會產(chǎn)生地磁沖擊波，而后引發(fā)地球磁暴，這就是太陽風暴的形成過程。,24,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風暴是太陽磁場變化到一定程度導致能量爆發(fā)的產(chǎn)物。 太陽上不同區(qū)域的磁場互相影響，到達一個“極限點”之后如果遇上電流，就會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),活動周期,太陽風暴隨太陽黑子活動周期每11年發(fā)生一次，當每11年周期終結時，太陽黑子數(shù)目將會下降，太陽風暴會衰減，所有都會風平浪靜。 這個“太陽活動極小期”并不長久，在一年以內(nèi)，黑子和風暴將逐漸變強，一個新的太陽活動高潮即將降臨。 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個周期

9、。,26,課堂優(yōu)質(zhì),危害,美國航天局“太陽動態(tài)觀測臺”發(fā)回第一組太陽風暴肆虐畫面 太陽風暴期間，太陽發(fā)出的X射線和遠紫外線（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）等離子體云等都會大大加強，從而會引發(fā)相關的地球物理現(xiàn)象發(fā)生。,27,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風暴期間所射出的X射線會比平時增加1000倍，X射線的增加會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重干擾，甚至會導致無線電通訊中斷。 例如，1989年太陽活動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1小時以上。太陽風暴時產(chǎn)生的高能粒

10、子流會使空間飛行中的一些探測儀器和計算機系統(tǒng)受到嚴重損害，并會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22周峰年期間共發(fā)生了13個位翻轉錯誤。,28,課堂優(yōu)質(zhì),太陽風暴時的高能質(zhì)子會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。同時這些高能質(zhì)子還會使地球兩極上空的大氣發(fā)生擾動，導致短波通訊中斷等。太陽風暴時紫外輻射的強烈變化會直接改變地球高層大氣的溫度和密度，從而會使人造衛(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)布最新民事應急國家風險名單，首次認定太陽風暴等嚴酷太空天氣為國家安全威脅之一，

11、可能導致供電和通信等基礎設施系統(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，由中國天文學會普及工作委員會主辦的2012年天文科普系列活動上，專家稱2013年太陽將出現(xiàn)“狂飆”，屆時，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的影響。巨大的耀斑爆發(fā)，一次耀斑的威力將相當于100枚氫彈爆炸，瞬間撞擊地球磁層。磁暴發(fā)生時，會導致人的心情煩躁，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、當太陽風掠過地球時，會使電磁場發(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)送強大元電荷，影響輸電、輸油、輸氣管線系統(tǒng)的安全。 3、對運行的衛(wèi)星產(chǎn)生影響。 4、一次太陽風的輻射量對一個人來說很容易達到多次的X射線檢查量。它還會引起人體免疫力的下降，很容易引起病變，也會使人情緒易波動，甚至車禍增多。 5、會使氣溫增高。,32,課堂優(yōu)質(zhì),第三節(jié) 小天體撞擊災害,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，這些小天體在運行中不時會接近、甚至撞上其它行星。近地天體撞到地表時，會造成一個比自身直徑大10倍的洞，而實際破壞的范圍更遠超于此。,33,課堂優(yōu)質(zhì),可能會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)，目前估計長度超過一公里的近地天體約有2000個，這些小天體萬一與地球相撞，估計會造成全球1/4的人口滅絕；即使小一點的，例如長100米的小天體，也足以毀掉好幾個臺灣，而這種近地天體的數(shù)量估計多達30萬個。,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的小天體很多。小行星中最大的是“謝列斯”，直徑達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)運行，而已經(jīng)充分掌握其軌道的小行星已達7500個以上。 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碰撞地球的。但NEO的軌道接近地球時有可能改變，這是因為NEO接近水星、金星、地球和火星的機會很多，難免會受行星引力的影響而變更軌道。 未被發(fā)現(xiàn)的小行星當中，或許會有撞擊地球的小行星?？茖W家認為直徑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)無估計的災害，為此，設法找出發(fā)現(xiàn)的NEO是當務之急。,35,課堂優(yōu)質(zhì),撞擊威力,近地天體撞到地表時，會造成一個比自身直徑大10倍的洞，而實際破壞的范圍更遠超于此。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，爆炸威力相當于600顆廣島原子彈。 撞擊威力之所以會那么強大，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來，撞擊速度至少如此，加上近地天體在地球附近時并非靜止，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公里的極高速度運動的，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，運動速度越快，能量就越大。 假定小行星密度為3g/cm3,且運動速度為每秒25公里時，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，運動速度如果再增加，則能量更大。 小天體碰撞地球可能產(chǎn)生的災害有碰撞引起的爆炸，以及爆炸引起的火災、地震和海嘯。另外還有由碰撞引起塵埃擴散所帶來的寒冷化，以及因氮氣燃燒而產(chǎn)生的酸雨等災害。 NEO碰撞地表后必然出現(xiàn)圓坑，圓坑直徑可達碰撞天體直徑的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，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?？缮仙云搅鲗?，并漂浮四方，由此引起了全球性的寒冷化現(xiàn)象。假設碰撞前氣溫為20，直徑300米的小行星如果以秒速40公里進行磁撞，則氣溫會降到15。又小行星直徑如果為500米，而秒速為30公里時，氣溫將會降到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(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“潛在危險天體”(potentially hazardous object, PHO)。 這些天體的危險程度，則合并考慮碰撞機率以及撞擊時所釋放的能量，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米的近地天體估計數(shù)量多達30萬個，但目前看來對地球具有威脅性的卻寥寥無幾，原

19、因就在于宇宙實在太空曠了。臺灣中央大學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；會威脅地球的近地天體主要來自10幾米外的小行星帶，是遠比鹽粒更小的顆粒，盡管有一部份公轉軌道與地球公轉軌道相交，但要撞上的機率還是很低。,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，一個直徑約10公里的小天體撞擊在墨西哥灣的一個半島上，所有撞擊物質(zhì)氣化后拋射在半空，整個太陽輻射大大減弱，據(jù)科學測算地球年均溫度當時一下子降低18。那次撞擊后，整個地球陷入黑暗，光合作用無法進行，植物大批死亡，引發(fā)地球上各種動物大量死亡，恐龍就是在這種惡劣環(huán)境中大批滅絕，而當時地球上大約70%的物種也一道消失。關于這次撞擊，科學家們在全球100多個撞擊坑的地方進行研究，尋找證據(jù)，中國科學家在西藏也取得確鑿證據(jù)，表明6500萬年前地球確實遭到小天體撞擊。,39,課堂優(yōu)質(zhì),在導致恐龍滅絕前更古老的時候還有一次小天體撞擊地球，大概接近80%的地球物種消失。科學家們找到的證據(jù)顯示，這兩次撞擊后地球至少還有5次遭小天體撞