非極緯度變化

[拼音]：ri-di guanxi

[外文]：solar-terrestrial relationships

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、等離子體層、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／(釐米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佈結構和大氣環流，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、通訊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）訊號會被增強;地面發出的甚長波與天波訊號間位相差突然增大；地面發出的短波無線電訊號被地面接收時，已兩次經過D層，訊號強度大為減弱等。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年變化的週期。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，太陽活動的平均週期就是22年。太陽黑子數是量度太陽活動程度常用的一個引數，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后即形成磁暴。

對地球而言，太陽的自轉週期是27天。如果太陽上一個區域性區域的活動持續27天以上，而這種活動又能在地球上產生影響，那麼隨著太陽的自轉，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后，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年為週期的規律。

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，極區的無線電通訊和經過極區的電路的通訊會受到影響，嚴重時通訊中斷。

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絡，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絡。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。這兩種電場向下對映，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佈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、魚類的繁殖和迴游、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佈有關，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。