臺北市立天文科學教育館

「日冕物質拋射」（Coronal Mass Ejection，簡稱 CME）是大量電漿伴隨磁場，從太陽大氣層向外拋射的劇烈現象，可視為最強烈的太陽風暴之一。當 CME 抵達地球時，會首先擾動地球磁場，引發磁暴，也就是一種全球性的地磁擾動，可能干擾衛星運作與地面電力系統。磁暴期間，產生的高能粒子會沿著地磁線進入極區大氣，與氣體分子碰撞並釋放能量，形成絢麗奪目的極光。

本單元將引導你透過三組太陽風暴事件的時間軸，認識太陽風暴從爆發到對地球及其他行星系統造成影響的完整過程。

題組一

太陽風暴事件時間軸：

星期二 下午 04:50：太陽表面發生氣體噴發，產生日冕物質拋射（CME）。

星期四 凌晨 03:36：電漿風暴抵達地球，開始擾動地磁場，引發磁暴。

星期四 凌晨 05:20：磁暴強度達到最高峰。

星期四 凌晨 05:35：極光亮度達到最強。

星期四 上午 11:29：極光活動明顯減弱。

星期四 下午 02:45：太空環境恢復正常，風暴影響結束。

根據以上太陽風暴事件時間軸回答下列問題：

問題1：

從太陽氣體噴發到地球附近偵測到電漿風暴為止，經過了多少時間？

問題2：

自電漿風暴抵達地球後，極光亮度在多久後達到最強？

問題3：

從偵測到電漿風暴抵達地球起，到太空環境恢復正常為止，這場風暴在地球附近共持續了多久？

問題4：

若地球與太陽的平均距離為 1.5 億公里，這場風暴從太陽傳送至地球的平均速度為何？若冥王星距離太陽約為地球的 40 倍，則風暴傳送至冥王星約需多久時間？

題組二

根據觀測資料，2000 年 11 月 8 日，太陽發生一次大規模日冕物質拋射（CME）事件。該 CME 於 11 月 12 日 抵達地球，並引發極光現象；而在 12 月 8 日，哈伯太空望遠鏡偵測到土星也出現極光，顯示這次 CME 的影響延伸至外太陽系。當時地球、木星與土星幾乎排列於太陽同一側且接近一直線，其與太陽的平均距離如下：

地球：1.5 億公里

木星：7.78 億公里

土星：14.3 億公里

圖說： 除了地球之外，當日冕物質拋射（CME）抵達木星或土星時，也可能在這些行星上引發極光現象。

根據以上太陽風暴事件回顧回答下列問題：

問題5：

CME 抵達地球與土星分別花了幾天？

問題6：

CME 從太陽傳至地球的平均速度為多少？（單位：百萬公里／小時）

問題7：

CME 從地球到土星的平均速度為多少？（單位：百萬公里／小時）

問題8：

CME 通過地球後，需多少時間才能到達木星？因此，木星上的極光預計在何時出現？

問題9：

CME 在從太陽到土星的旅程中，是加速還是減速？

題組三

下圖為太陽風在火星軌道內形成的螺旋結構之模擬影像，用以呈現 2012 年 3 月 6 日太陽風暴發生後的太陽風分布狀況。本模擬由 NASA 製作，顯示日冕物質拋射（CME）從太陽向外擴散的過程，並描繪出日冕洞造成太陽風形成螺旋狀結構的現象。圖中所對應的模擬時間分別為 3 月 8 日（00:00）與 3 月 9 日（00:00）。

圖中各行星以圓形標示（黃色代表地球，紅色為火星，橙色為水星，綠色為金星），黑色同心圓則以每圈間隔 7,500 萬公里繪製。螺旋狀的結構為來自日冕洞所釋出的高速太陽風所造成；日冕洞為太陽大氣中磁場呈開放狀態的低密度區域，使得太陽風能高速逸出。而眉月形狀的雲團則代表此次太陽風暴所產生的日冕物質拋射（CME），該事件也在地球上引發壯觀的極光現象。根據模擬資料，這次 CME 在約 24 小時內橫跨 7,500 萬公里，朝向地球方向推進，顯示其極高的傳播速度與潛在影響範圍。

問題10：

當日冕物質拋射（CME）抵達地球時，其速度約為多少公里／小時？

問題 11：

CME 後方的黑色空腔代表的是一個密度極低的空間區域。你認為這是如何形成的？原本填充該空腔的氣體去了哪裡？

問題 12：

若 CME 沒有減速，它會在何時抵達距太陽約 45 億公里遠的海王星？

參考資料：Space Math