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自然科普： 超強太陽風(fēng)暴來臨時 地球上任何一個超級大國都承受不了
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在奧巴馬簽署的題為《協(xié)調(diào)努力為國家做好空間天氣事件的準(zhǔn)備》的總統(tǒng)行政命令中，美國政府認(rèn)識到，空間天氣所威脅的，不只是地球之外的環(huán)境，還會在國家層面上對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)產(chǎn)生影響。而美國政府對極端空間天氣事件的重視，很大程度上來源于2003年萬圣節(jié)期間超級太陽風(fēng)暴對人類社會所依賴的各個高技術(shù)系統(tǒng)的全面影響。
全面影響：2003年的“萬圣節(jié)事件”
2003年，太陽進入了第23太陽活動周的極大期，太陽表面的黑子數(shù)達到了11年以來的極大值，從而使太陽進入了異常活躍的狀態(tài)。2003年10月末至11月初，太陽上的一系列爆發(fā)事件給地球的空間環(huán)境帶來了災(zāi)害性的影響。由于這些爆發(fā)事件的發(fā)生時間恰好與西方的萬圣節(jié)重合，研究者普遍將這次爆發(fā)事件稱之為“萬圣節(jié)事件”。
相比于1989年，人類社會的現(xiàn)代化程度已經(jīng)有了質(zhì)的提升，有更多的領(lǐng)域容易受到惡劣的空間天氣影響。同時，從太空到地面更加完善的空間天氣觀測設(shè)施，也讓研究者們能夠更全面觀察超強太陽風(fēng)暴發(fā)生和發(fā)展的過程。
“萬圣節(jié)事件”電磁輻射的觀測記錄，多日超出輻射警報值（圖片來源：www.greatdreams.com）
“萬圣節(jié)事件”期間NASA的SOHO衛(wèi)星在不同波段拍攝到的一次耀斑爆發(fā)現(xiàn)象。（圖片來源：NASA）
2003年10月18日至11月8日，太陽上的三個大黑子群總共產(chǎn)生了143次耀斑爆發(fā)和80次日冕物質(zhì)拋射(CME)爆發(fā)。在這143次耀斑爆發(fā)中，11月4日爆發(fā)的X28級耀斑是有耀斑衛(wèi)星觀測以來記錄到的最強耀斑。實際上，這個耀斑的巨大輻射超過了相關(guān)衛(wèi)星上測量設(shè)備的量程，X28的級別并非來自準(zhǔn)確的探測，而是根據(jù)探測曲線外推做出的推斷。
有研究者根據(jù)地球受該耀斑襲擊后的反應(yīng)推測，該耀斑的實際級別可能高達X45。在80次CME爆發(fā)中，對地球影響最為嚴(yán)重的是10月28日和10月29日相繼爆發(fā)的兩次CME。這兩個CME每個的威力都十分強大，而他們在“相互配合”侵襲地球的過程中，第一個CME為第二個掃清了前進道路上的障礙，使得第二個CME能夠以更加劇烈的方式，影響地球附近的空間天氣狀況?！ ?
耀斑和CME所帶來的高能粒子，像是太空中看不見的“子彈”，威脅著航天員的生命安全和衛(wèi)星器件的正常工作。在航天領(lǐng)域，在類似“卡靈頓事件”的情況下，為了防止在國際空間站上工作的宇航員遭受高能粒子帶來的過量輻射，地面控制人員命令宇航員們進入防護能力更強的艙段避險，并關(guān)閉了國際空間站上的一些設(shè)施。
MeV能級以上的高能粒子能夠擊穿衛(wèi)星的外殼，使衛(wèi)星電子器件中的信號狀態(tài)發(fā)生變化，引發(fā)衛(wèi)星工作的異常。在磁層亞暴期間，中等能量的電子還可能使衛(wèi)星表面出現(xiàn)充電現(xiàn)象，進而引發(fā)阻礙衛(wèi)星正常工作的信號噪聲，甚至可能通過放電在對衛(wèi)星期間造成物理損壞。
ACE衛(wèi)星是部署在太陽和地球連線上一個固定位置的空間天氣探測任務(wù)，它就像一位警覺的“哨兵”，為人類源源傳來太陽風(fēng)暴即將吹拂地球警報。但在本次事件中，這位“哨兵”卻在高能粒子的侵襲下不幸"受傷"了。ACE衛(wèi)星的SWEPAM儀器在此次爆發(fā)期間，由于耀斑高能粒子對觀測數(shù)據(jù)的污染而無法正常產(chǎn)生太陽風(fēng)等離子體觀測數(shù)據(jù)。
此外，日本的地球觀測衛(wèi)星ADEOS-2與因地面失去聯(lián)系而報廢，在火星附近工作的美國科學(xué)探測衛(wèi)星火星奧德賽號的MARIE儀器報廢。還有諸多衛(wèi)星采取關(guān)機或進入安全模式等方式，暫停正常工作以規(guī)避惡劣空間天氣帶來的危險。
磁層是地球抵御太陽風(fēng)侵襲的“保護罩”，它的存在使太陽風(fēng)無法直接吹拂靠近地面的區(qū)域。火星由于缺乏內(nèi)稟磁場，沒有形成結(jié)構(gòu)明顯的磁層“保護罩”，其大氣層在太陽風(fēng)的吹拂下不斷被剝離，因此火星的大氣相當(dāng)稀薄，其密度還不到地球大氣密度的百分之一。
在“卡靈頓事件”中，由于太陽風(fēng)暴的速度和動能非常大，使磁層這個“保護罩”向后節(jié)節(jié)敗退，被壓縮到了地球靜止軌道以內(nèi)。靜止軌道是轉(zhuǎn)播電視信號的通信衛(wèi)星及一些氣象衛(wèi)星所在的軌道，磁層的壓縮使這些衛(wèi)星直接暴露在了太陽風(fēng)的吹拂之下，工作環(huán)境變得相當(dāng)危險。
此外，這些氣象衛(wèi)星在正常工作時需要依靠與地球磁場的相互作用來調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)。磁場環(huán)境的巨大變化使這種姿態(tài)維持功能不能繼續(xù)正常工作。
太陽風(fēng)和地球磁場的相互作用會形成地球磁層，從而阻礙太陽風(fēng)直接吹拂地球的大氣層。（圖片來源：NASA）
由于耀斑和地磁暴引發(fā)的電離層擾動，GPS導(dǎo)航定位信號傳輸路徑上的電離層電子含量（TEC）會發(fā)生比較大的變化，對GPS信號的傳輸造成影響，進而影響GPS系統(tǒng)的定位精度。
在“萬圣節(jié)事件”期間，依賴于高精度GPS定位進行的大地測繪、產(chǎn)權(quán)邊界分析、鉆井鉆探等應(yīng)用則不得不暫停了工作?；诟呔菺PS定位的軍事行動也受到影響，高精度打擊武器無法正常使用。
往來于東亞（如北京、首爾、東京）和北美東海岸（如紐約、華盛頓）的航班，為了減少飛行距離，一般選擇飛躍北極上空的航線。在沒有陸地的北極地區(qū)，無法為空中交通管制常用的甚高頻（VHF）信號設(shè)置通信基站，因此一般采用能夠長距離傳輸?shù)母哳l（HF）無線電進行通信。耀斑爆發(fā)引起的地球附近X射線通量增加，會引起電離層狀態(tài)的擾動，進而影響HF無線電的傳播，引發(fā)極區(qū)航班的通信中斷。
越來越多的國際航班飛越地球北極以節(jié)省時間和燃料（圖片來源：science.nasa.gov） ?????
??????由于北緯82度以上的地區(qū)也是民航衛(wèi)星通信系統(tǒng)的盲區(qū)，航空管制當(dāng)局在“萬圣節(jié)事件”期間要求采用北極航線的航班改用緯度較低的飛行路徑以保證通信暢通，增加了航班的飛行時間和燃油消耗。
????現(xiàn)代噴氣式客機的正常飛行高度一般在10000米左右，以達到最低的油耗水平。隨著飛行高度的增加，大氣層對太陽高能粒子和銀河宇宙線輻射的阻擋作用越來越弱，機組人員和乘客在飛行中所受到的輻射劑量因此會隨著高度的增加而增加。在大部分時間里，普通乘客因為乘坐飛機而額外受到的輻射劑量很低，不會對健康造成影響。但在強烈的耀斑和地磁暴期間，北極等高緯度地區(qū)高空輻射劑量顯著增加，為了保證機組人員和乘客的健康，航空管制當(dāng)局也要求飛行在磁北緯35度以上的航班巡航高度不得高于7620米（25000英尺），又增加了飛行油耗。
在1989年的大磁暴中引發(fā)魁北克停電的地磁感應(yīng)電流效應(yīng)，也沒有“缺席”本次太陽風(fēng)暴過程。有了1989年大磁暴的前車之鑒，北美地區(qū)的電網(wǎng)運營人員在收到預(yù)警后小心謹(jǐn)慎地采取了相當(dāng)多的措施予以應(yīng)對。
在電網(wǎng)中，雖然探測到了較強的地磁感應(yīng)電流，也有一些供電設(shè)備暫時失效，但由于應(yīng)對得當(dāng)，北美地區(qū)沒有出現(xiàn)大規(guī)模的停電現(xiàn)象。但在北歐的瑞典地區(qū)，一個核電在的大型變壓器因太陽風(fēng)暴影響而過熱停運，導(dǎo)致部分地區(qū)停電一小時。
“萬圣節(jié)事件”給人類社會帶來的全方位影響，再次引發(fā)政策制定者、媒體和大眾對空間天氣的關(guān)注。在“萬圣節(jié)事件”期間，美國空間環(huán)境中心人員總共接受了一百次以上的媒體采訪，其網(wǎng)頁的日訪問量從平時的每天50萬次一躍上升到每天1900萬次。 ?
嚴(yán)重災(zāi)害：未來某天
就像我們可以用震級或風(fēng)級來描述地震和臺風(fēng)的危害程度一樣，太陽風(fēng)暴的強烈程度可以用地磁場的Dst指數(shù)描述，Dst指數(shù)越?。ń^對值越大），則太陽風(fēng)暴的危害程度就越強烈。1989年的強太陽風(fēng)暴，Dst指數(shù)達到了?589 nT，2003年“萬圣節(jié)事件”期間，Dst指數(shù)達到了-465nT。而根據(jù)近些年的研究，1859年的“卡靈頓事件”期間，Dst指數(shù)可能達到了-1750nT！
根據(jù)英國保險業(yè)巨頭勞埃德（Lloyd）公司的空間天氣風(fēng)險評估報告估計，如果同樣規(guī)模的超強太陽風(fēng)暴發(fā)生在今天，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，僅電力設(shè)施被毀一項就可以給北美地區(qū)造成2.6萬億美元的巨額損失。
勞埃德（Lloyd）公司的空間天氣風(fēng)險評估報告封面(圖片來源：www.lloyds.com)
損失之所以大的驚人，是因為超強太陽風(fēng)暴可以摧毀發(fā)電廠、高壓變電站中的大量大型核心變壓器。這些變壓器大都是根據(jù)發(fā)電廠和輸電線路的具體情況量身定制的，一旦損壞后需要重新生產(chǎn)，沒有可以立即更換的備件，因此恢復(fù)電力可能需要長達一年的時間。在此期間，所有的電腦無法開機、手機失去信號、工廠的機器無法運轉(zhuǎn)，所有的生產(chǎn)部門進而停運，供水、排水、醫(yī)療、交通等基礎(chǔ)設(shè)施也無法為人們的日常生活提供正常的服務(wù)。
2012年7月，太陽上的一次大爆發(fā)與地球擦肩而過，如果這次爆發(fā)提早一個星期發(fā)生，它就會擊中地球，其威力與“卡靈頓事件”相當(dāng)。
因此，在未來的某天，地球遭遇超強太陽風(fēng)暴的再次襲擊是肯定的。到那時，我們是在其巨大的威力下遭受嚴(yán)重?fù)p失，還是能采取有效措施規(guī)避其帶來的危害，全仰仗今天我們對空間天氣研究與應(yīng)用的投入。?
（本文中標(biāo)明來源的圖片均已獲得授權(quán)）
出品：科普中國?
制作：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 李會超?
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心?
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全面影響：2003年的“萬圣節(jié)事件”
2003年，太陽進入了第23太陽活動周的極大期，太陽表面的黑子數(shù)達到了11年以來的極大值，從而使太陽進入了異常活躍的狀態(tài)。2003年10月末至11月初，太陽上的一系列爆發(fā)事件給地球的空間環(huán)境帶來了災(zāi)害性的影響。由于這些爆發(fā)事件的發(fā)生時間恰好與西方的萬圣節(jié)重合，研究者普遍將這次爆發(fā)事件稱之為“萬圣節(jié)事件”。
相比于1989年，人類社會的現(xiàn)代化程度已經(jīng)有了質(zhì)的提升，有更多的領(lǐng)域容易受到惡劣的空間天氣影響。同時，從太空到地面更加完善的空間天氣觀測設(shè)施，也讓研究者們能夠更全面觀察超強太陽風(fēng)暴發(fā)生和發(fā)展的過程。
“萬圣節(jié)事件”電磁輻射的觀測記錄，多日超出輻射警報值（圖片來源：www.greatdreams.com）
“萬圣節(jié)事件”期間NASA的SOHO衛(wèi)星在不同波段拍攝到的一次耀斑爆發(fā)現(xiàn)象。（圖片來源：NASA）
2003年10月18日至11月8日，太陽上的三個大黑子群總共產(chǎn)生了143次耀斑爆發(fā)和80次日冕物質(zhì)拋射(CME)爆發(fā)。在這143次耀斑爆發(fā)中，11月4日爆發(fā)的X28級耀斑是有耀斑衛(wèi)星觀測以來記錄到的最強耀斑。實際上，這個耀斑的巨大輻射超過了相關(guān)衛(wèi)星上測量設(shè)備的量程，X28的級別并非來自準(zhǔn)確的探測，而是根據(jù)探測曲線外推做出的推斷。
有研究者根據(jù)地球受該耀斑襲擊后的反應(yīng)推測，該耀斑的實際級別可能高達X45。在80次CME爆發(fā)中，對地球影響最為嚴(yán)重的是10月28日和10月29日相繼爆發(fā)的兩次CME。這兩個CME每個的威力都十分強大，而他們在“相互配合”侵襲地球的過程中，第一個CME為第二個掃清了前進道路上的障礙，使得第二個CME能夠以更加劇烈的方式，影響地球附近的空間天氣狀況?！ ?
耀斑和CME所帶來的高能粒子，像是太空中看不見的“子彈”，威脅著航天員的生命安全和衛(wèi)星器件的正常工作。在航天領(lǐng)域，在類似“卡靈頓事件”的情況下，為了防止在國際空間站上工作的宇航員遭受高能粒子帶來的過量輻射，地面控制人員命令宇航員們進入防護能力更強的艙段避險，并關(guān)閉了國際空間站上的一些設(shè)施。
MeV能級以上的高能粒子能夠擊穿衛(wèi)星的外殼，使衛(wèi)星電子器件中的信號狀態(tài)發(fā)生變化，引發(fā)衛(wèi)星工作的異常。在磁層亞暴期間，中等能量的電子還可能使衛(wèi)星表面出現(xiàn)充電現(xiàn)象，進而引發(fā)阻礙衛(wèi)星正常工作的信號噪聲，甚至可能通過放電在對衛(wèi)星期間造成物理損壞。
ACE衛(wèi)星是部署在太陽和地球連線上一個固定位置的空間天氣探測任務(wù)，它就像一位警覺的“哨兵”，為人類源源傳來太陽風(fēng)暴即將吹拂地球警報。但在本次事件中，這位“哨兵”卻在高能粒子的侵襲下不幸"受傷"了。ACE衛(wèi)星的SWEPAM儀器在此次爆發(fā)期間，由于耀斑高能粒子對觀測數(shù)據(jù)的污染而無法正常產(chǎn)生太陽風(fēng)等離子體觀測數(shù)據(jù)。
此外，日本的地球觀測衛(wèi)星ADEOS-2與因地面失去聯(lián)系而報廢，在火星附近工作的美國科學(xué)探測衛(wèi)星火星奧德賽號的MARIE儀器報廢。還有諸多衛(wèi)星采取關(guān)機或進入安全模式等方式，暫停正常工作以規(guī)避惡劣空間天氣帶來的危險。
磁層是地球抵御太陽風(fēng)侵襲的“保護罩”，它的存在使太陽風(fēng)無法直接吹拂靠近地面的區(qū)域。火星由于缺乏內(nèi)稟磁場，沒有形成結(jié)構(gòu)明顯的磁層“保護罩”，其大氣層在太陽風(fēng)的吹拂下不斷被剝離，因此火星的大氣相當(dāng)稀薄，其密度還不到地球大氣密度的百分之一。
在“卡靈頓事件”中，由于太陽風(fēng)暴的速度和動能非常大，使磁層這個“保護罩”向后節(jié)節(jié)敗退，被壓縮到了地球靜止軌道以內(nèi)。靜止軌道是轉(zhuǎn)播電視信號的通信衛(wèi)星及一些氣象衛(wèi)星所在的軌道，磁層的壓縮使這些衛(wèi)星直接暴露在了太陽風(fēng)的吹拂之下，工作環(huán)境變得相當(dāng)危險。
此外，這些氣象衛(wèi)星在正常工作時需要依靠與地球磁場的相互作用來調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)。磁場環(huán)境的巨大變化使這種姿態(tài)維持功能不能繼續(xù)正常工作。
太陽風(fēng)和地球磁場的相互作用會形成地球磁層，從而阻礙太陽風(fēng)直接吹拂地球的大氣層。（圖片來源：NASA）
由于耀斑和地磁暴引發(fā)的電離層擾動，GPS導(dǎo)航定位信號傳輸路徑上的電離層電子含量（TEC）會發(fā)生比較大的變化，對GPS信號的傳輸造成影響，進而影響GPS系統(tǒng)的定位精度。
在“萬圣節(jié)事件”期間，依賴于高精度GPS定位進行的大地測繪、產(chǎn)權(quán)邊界分析、鉆井鉆探等應(yīng)用則不得不暫停了工作?；诟呔菺PS定位的軍事行動也受到影響，高精度打擊武器無法正常使用。
往來于東亞（如北京、首爾、東京）和北美東海岸（如紐約、華盛頓）的航班，為了減少飛行距離，一般選擇飛躍北極上空的航線。在沒有陸地的北極地區(qū)，無法為空中交通管制常用的甚高頻（VHF）信號設(shè)置通信基站，因此一般采用能夠長距離傳輸?shù)母哳l（HF）無線電進行通信。耀斑爆發(fā)引起的地球附近X射線通量增加，會引起電離層狀態(tài)的擾動，進而影響HF無線電的傳播，引發(fā)極區(qū)航班的通信中斷。
越來越多的國際航班飛越地球北極以節(jié)省時間和燃料（圖片來源：science.nasa.gov） ?????
??????由于北緯82度以上的地區(qū)也是民航衛(wèi)星通信系統(tǒng)的盲區(qū)，航空管制當(dāng)局在“萬圣節(jié)事件”期間要求采用北極航線的航班改用緯度較低的飛行路徑以保證通信暢通，增加了航班的飛行時間和燃油消耗。
????現(xiàn)代噴氣式客機的正常飛行高度一般在10000米左右，以達到最低的油耗水平。隨著飛行高度的增加，大氣層對太陽高能粒子和銀河宇宙線輻射的阻擋作用越來越弱，機組人員和乘客在飛行中所受到的輻射劑量因此會隨著高度的增加而增加。在大部分時間里，普通乘客因為乘坐飛機而額外受到的輻射劑量很低，不會對健康造成影響。但在強烈的耀斑和地磁暴期間，北極等高緯度地區(qū)高空輻射劑量顯著增加，為了保證機組人員和乘客的健康，航空管制當(dāng)局也要求飛行在磁北緯35度以上的航班巡航高度不得高于7620米（25000英尺），又增加了飛行油耗。
在1989年的大磁暴中引發(fā)魁北克停電的地磁感應(yīng)電流效應(yīng)，也沒有“缺席”本次太陽風(fēng)暴過程。有了1989年大磁暴的前車之鑒，北美地區(qū)的電網(wǎng)運營人員在收到預(yù)警后小心謹(jǐn)慎地采取了相當(dāng)多的措施予以應(yīng)對。
在電網(wǎng)中，雖然探測到了較強的地磁感應(yīng)電流，也有一些供電設(shè)備暫時失效，但由于應(yīng)對得當(dāng)，北美地區(qū)沒有出現(xiàn)大規(guī)模的停電現(xiàn)象。但在北歐的瑞典地區(qū)，一個核電在的大型變壓器因太陽風(fēng)暴影響而過熱停運，導(dǎo)致部分地區(qū)停電一小時。
“萬圣節(jié)事件”給人類社會帶來的全方位影響，再次引發(fā)政策制定者、媒體和大眾對空間天氣的關(guān)注。在“萬圣節(jié)事件”期間，美國空間環(huán)境中心人員總共接受了一百次以上的媒體采訪，其網(wǎng)頁的日訪問量從平時的每天50萬次一躍上升到每天1900萬次。 ?
嚴(yán)重災(zāi)害：未來某天
就像我們可以用震級或風(fēng)級來描述地震和臺風(fēng)的危害程度一樣，太陽風(fēng)暴的強烈程度可以用地磁場的Dst指數(shù)描述，Dst指數(shù)越?。ń^對值越大），則太陽風(fēng)暴的危害程度就越強烈。1989年的強太陽風(fēng)暴，Dst指數(shù)達到了?589 nT，2003年“萬圣節(jié)事件”期間，Dst指數(shù)達到了-465nT。而根據(jù)近些年的研究，1859年的“卡靈頓事件”期間，Dst指數(shù)可能達到了-1750nT！
根據(jù)英國保險業(yè)巨頭勞埃德（Lloyd）公司的空間天氣風(fēng)險評估報告估計，如果同樣規(guī)模的超強太陽風(fēng)暴發(fā)生在今天，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，僅電力設(shè)施被毀一項就可以給北美地區(qū)造成2.6萬億美元的巨額損失。
勞埃德（Lloyd）公司的空間天氣風(fēng)險評估報告封面(圖片來源：www.lloyds.com)
損失之所以大的驚人，是因為超強太陽風(fēng)暴可以摧毀發(fā)電廠、高壓變電站中的大量大型核心變壓器。這些變壓器大都是根據(jù)發(fā)電廠和輸電線路的具體情況量身定制的，一旦損壞后需要重新生產(chǎn)，沒有可以立即更換的備件，因此恢復(fù)電力可能需要長達一年的時間。在此期間，所有的電腦無法開機、手機失去信號、工廠的機器無法運轉(zhuǎn)，所有的生產(chǎn)部門進而停運，供水、排水、醫(yī)療、交通等基礎(chǔ)設(shè)施也無法為人們的日常生活提供正常的服務(wù)。
2012年7月，太陽上的一次大爆發(fā)與地球擦肩而過，如果這次爆發(fā)提早一個星期發(fā)生，它就會擊中地球，其威力與“卡靈頓事件”相當(dāng)。
因此，在未來的某天，地球遭遇超強太陽風(fēng)暴的再次襲擊是肯定的。到那時，我們是在其巨大的威力下遭受嚴(yán)重?fù)p失，還是能采取有效措施規(guī)避其帶來的危害，全仰仗今天我們對空間天氣研究與應(yīng)用的投入。?
（本文中標(biāo)明來源的圖片均已獲得授權(quán)）
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