关于日地关系介绍

[拼音]：ri-di guanxi

[外文]：solar-terrestrial relationships

太阳发射的各种形式能量的变化对地球环境的影响，以及地球表面、低层大气、电离层、磁层的相互关系。太阳的能量以电磁辐射和微粒辐射两种形式不断地向周围发射出来。这些辐射经过地球时，对地球磁层、等离子体层、电离层和中、低层大气等产生影响，甚至可能影响到生物圈和气象等。日地关系主要研究太阳发射能量的变动部分与地球物理现象之间的关系，也研究日地系统的稳定状态，因为稳定状态给出了衡量变动的基准。

在地球轨道处，太阳电磁辐射的总强度几乎不变，通常用“太阳常数”表示，其值约为1.96卡／(厘米2·分)。太阳电磁辐射对地球表面和大气层的加热，形成了大气层的温度垂直分布结构和大气环流，尤其是在对流层中造成了各种复杂的大气现象。太阳电磁辐射中，波长短于1400埃的紫外部分，是造成地球大气电离层和臭氧层的主要电离源。太阳微粒辐射在稳定状态下即为太阳风，它与地球磁场作用形成了地球磁层。

太阳上经常发生各种复杂的活动过程，如太阳黑子、耀斑、谱斑、暗条、冕洞和射电爆发等。太阳活动时电磁辐射强度发生变化，变化较大的谱段为波长小于100埃的软X射线部分，可变化2～3倍之多。8埃以下的辐射通量，可随太阳活动的增强而增大几百倍。太阳活动还往往伴随着太阳宇宙线的发射。太阳辐射的这些变化，会造成近地环境的变化。

日地关系是一个多学科的课题。日地关系的研究对于认识太阳和行星的相互关系有重要的科学意义。随着日地关系研究的进展，人类将逐渐提高预测环境变化的能力，包括对于天气和气候、宇航环境和生物圈状况的预测。这对工农业生产、交通运输、水文气象、卫生保健、通信广播和开发空间资源以及加强国防事业都有实用价值。

目前，大多数日地关系方面的研究结果都还不是定量的。全世界有关领域的科学工作者，都在致力于解决日地关系根本机制问题。其中认识比较一致的是太阳活动对磁层、电离层的影响，而太阳活动与天气、气候的关系，以及太阳活动和生物圈的关系，也是很活跃的科研领域。

当太阳耀斑出现时，太阳的软X射线能够到达电离层低层，和中性大气成分相互作用，产生电离，造成短期内电离度突然增加，形成电离层突然骚扰(SID)，来自地球外的无线电噪声经过D层时会被强烈吸收。这会在电波传播方面产生一系列异常现象：如低层大气内来自远方雷电的长波或地球表面发出的长波（波长约6000～20000米）信号会被增强;地面发出的甚长波与天波信号间位相差突然增大；地面发出的短波无线电信号被地面接收时，已两次经过D层，信号强度大为减弱等。太阳短波辐射增强的另一地球物理效应，是在电离层电离强度增加后，造成寿命短暂的电流体系，这种电流产生的磁场变化在地磁学中称为钩扰。太阳正处在天顶附近时，钩扰较大，钩扰常常是磁暴出现的先兆。太阳的紫外辐射(1750～2420埃)能在大气中形成臭氧层。根据1974年以前约40年的臭氧观测资料分析，臭氧总含量似有平均11年变化的趋势。太阳黑子极大年以后的第4年前后，臭氧总含量呈现峰值。大气臭氧在生成和消失的过程中，也吸收其他谱段的紫外辐射和地球的热辐射。臭氧吸收电磁辐射以后，最终会把一大部分能量转化为热能，从而对于大气的热平衡产生作用。另外，臭氧吸收电磁辐射后对推动平流层和中层大气的风系，和决定对流层的高度都具有相当大的作用。臭氧层吸收大部分的太阳紫外线，使得地球上的生物免受太阳紫外线的直接的强烈照射，因此对地球上生物的生存有重大意义。太阳风到达地球附近和地磁场相互作用后，把地磁场约束在一个范围内，这个范围就是磁层。磁层是许多地球物理现象发生的区域。

太阳活动有平均约11年变化的周期。在11年内，太阳活动最强的年份称为太阳活动极大年，太阳活动最弱的年份称为太阳活动极小年，极大年和极小年之间平均约隔 5年多。如果把太阳上前导黑子和后续黑子的磁极性的变化也考虑在内，太阳活动的平均周期就是22年。太阳黑子数是量度太阳活动程度常用的一个参数，太阳黑子多就标志着太阳活动强。在太阳黑子极大年附近，太阳上常出现色球爆发现象（即出现耀斑），在短时间内（几分钟到几小时内）太阳的电磁辐射和粒子辐射常有极大的增强，太阳上一些区域发出较强的太阳风粒子。当这样的太阳风到达地球后即形成磁暴。

对地球而言，太阳的自转周期是27天。如果太阳上一个局部区域的活动持续27天以上，而这种活动又能在地球上产生影响，那么随着太阳的自转，若干地球物理现象就有27天重现性，特别是在太阳活动比较弱的年份，这种重现性更明显。例如地磁活动就有这种重现性。

在地球极区，太阳风中的带电粒子到达地球后，经过复杂的电动力学和磁流体力学过程进入离地面100～350公里的高空，与大气相互作用而形成极光。出现极光最频繁的地带是所谓极光带，在中等磁扰情况下，极光出现在磁纬70°附近。在地磁扰动强烈时，极光出现的位置向低纬方向移动；磁暴消失后，才恢复到原来纬度。太阳活动比较强的年份，极光出现的频次多，这种频次的多少，呈现大约以11年为周期的规律。

在极盖区，太阳上出现大耀斑后的几小时到一天多的时间内，离地面50～90公里高度范围内的大气成分被太阳耀斑发出的20～50兆电子伏的质子电离。这时自地球外进入地球大气层内的高频（约 1～50兆赫）无线电波（即宇宙射电噪声），大部分会被这层大气强烈吸收，到达地面时的强度大大减弱，这就是极盖吸收事件。在这种事件出现期间，极区的无线电通信和经过极区的电路的通信会受到影响，严重时通信中断。

地面上接收到的银河宇宙线强度与太阳活动有密切关系。在太阳活动极大年份，地面上能接收到能量在1011电子伏以下强度较低的银河宇宙线；但在太阳活动极小年份，接收到的银河宇宙线强度反而较大，可以大到极大年的两倍。因此，地面上能接收到的银河宇宙线的强度也呈11年的变化。产生这种现象的原因，是行星际空间的介质状况受到太阳活动强弱变化的影响（见宇宙线太阳调制）。

太阳活动的强弱，通过太阳远紫外线的加热作用，对高层大气的密度也有明显的效应。例如在 700公里的高空，1958年（太阳活动极大年）白天大气的密度是1963年（太阳活动极小年附近）的40多倍，即使在同一年内，黑子较多的时候高层大气的密度也比黑子较少的时候大。太阳紫外线强度有11年变化和27天变化，高层大气的密度除有11年变化外也有27天变化。

日地关系另一重要的方面是太阳活动与天气、气候的关系。自20世纪70年代初以来，世界上越来越多的科学家在关心和从事这一方面的工作。但是迄今为止，太阳活动和气象有无关系，仍是一个有争议的问题。天气和气候的变化主要发生在地球大气最下层，即对流层。而太阳的电磁辐射，除可见光和一部分无线电波及近紫外线以外，其余部分如X射线波段和中、远紫外部分，以及绝大部分的太阳粒子辐射，都很难到达大气低层；太阳活动的时间尺度与天气、气候变化的时间尺度也不完全一致。迄今为止，也未发现太阳活动与天气、气候之间有明确的物理、化学过程方面的直接联系，但是也找到过若干事例说明太阳活动的某些指数与天气、气候的某些因素之间存在着统计的相关关系。例如，太阳活动与气温、气压、降水、干旱、洪涝、大气环流、风暴路径、雷暴、涡旋面积指数，甚至冰川进退、湖面水位起伏等，在若干地区和若干时期以内都曾有过现象间的相关联系。但是这些结果所根据的观测资料尚不够全面，时间序列也不够长，并且常常是属于区域性的，还不能解释全球范围内气候、天气与太阳活动的一般关系。这一问题仍在探索中。

70年代以来，通过对于空间电场的探测和研究，还发现在高纬度区域热层高度上存在着因太阳风流动而产生的电场，随太阳风而变化，并能穿透到低纬度区域。大气发电机制在低纬度区域也能产生一种电场。这两种电场向下映射，并叠加在全球雷暴所建立的电场上，对全球大气电路会发生影响。另外，全球大气电路的电导率分布受太阳耀斑活动强弱的调制。这样太阳 X射线辐射、太阳质子事件和银河宇宙线强度等变化因素，有可能形成一种影响地球天气的太阳活动机制。

这也是日地关系的一个重要的方面。地球上的生物，赖以生存的光和热，直接或间接都来自太阳。太阳活动的变化自然会对生物产生若干效应，例如树木年轮的增长、粮食的收获量、蝗虫的飞行、鱼类的繁殖和回游、人体中白血球数的变化和神经病症的发展等，似乎都和太阳活动有一定关系。太阳的电磁辐射中，波长在0.32～0.29微米的这一部分能透过臭氧层到达地面，尽管它的强度已被大大减弱，但它还是能够破坏生物体内的核糖核酸和蛋白质，倘若这种辐射增强，细胞就容易受到破坏。从另一方面来说，人体产生维生素D和植物进行光合作用，也需要一定强度的这种辐射。但是这部分辐射到达地面时的强弱与大气层中臭氧的含量和分布有关，而臭氧层是受太阳活动控制的。太阳活动对于生物的效应中有一部分是间接的，它是通过太阳风和磁层相互作用产生的电磁场来影响生物的。如心血管疾病的发生与磁暴的出现有关，酶在磁暴期间活性减低，有些动物在自然界0.1～1赫的超低频电磁场作用下心脏节律发生变化等等。

在一般的日地关系实验研究中，绝大多数是在自然条件下进行观测。而在太阳活动对生物圈效应的研究中，有一部分实验可以在模拟自然界状况的人工环境内进行，例如在磁暴和超低频电磁脉动模拟装置中，实验血液胶体系统所发生的变化，有利于考察心血管病的发生与太阳活动的关系。由这种模拟实验室所得的资料，可以用来验证在自然条件下由观测统计所得的结果。

太阳活动与生物圈关系的研究，有助于探讨地球和行星上生命的形成和演化，也有助于卫生、保健、农业、宇航等事业的发展。