互动科普

■2004年4月25日出现的大规模日冕物质抛射中，巨量的高温气体被抛离太阳（深色遮光板中的白圈代表太阳）。幸运的是，这次的日冕物质抛射几乎垂直于地球方向，没有给我们带来太大冲击。在普通人眼中，太阳一直是慷慨仁慈的，带来了光明与温暖，给地球上各种生物的繁衍和发展创造了条件，最终孕育出人类的智慧和文明。几乎所有人类文明都曾将它奉为神明，从希腊的太阳神殿到玛雅的太阳金字塔，都是顶礼膜拜留下的遗迹。古希腊哲学家亚里斯多德认为，太阳是完美的，是永恒不变的。

意外发现的耀斑                    

太阳上的黑斑不时地出现在历史记载当中。以我国为例，早在公元前28年，《汉书·五行志》就记录道：“三月已未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”长沙马王堆中也出土过一幅彩绘帛画，画面上的红日之中，伫立着金色的三足乌鸦，这也是对“黑气”的艺术描绘。1612年，伽利略的观测证明，这些黑斑会随着日面一起转动，自身也会不断地出现和消失，由此颠覆了太阳永恒完美的理论。这些黑斑被形象地称作太阳黑子，是最明显的太阳活动现象，其中蕴含着极强的磁场，几乎在任何望远镜中都很容易看见。

相比太阳黑子，耀斑比较低调，科学家直到1859年才意外地发现了它的存在。英国天文学家理查德·卡林顿在1859年9月1日上午，通过一台望远镜，将太阳像投射到一块淡黄色的屏幕上，进行例行的黑子观测。突然，在一大群黑子之间，爆发出两团异常明亮的白光，亮得就像阳光直射在屏幕上，卡林顿还以为是遮光板上出现漏洞，让阳光直接射下来了。短短60秒内，两团白光的形态发生了变化，亮度减弱，5分钟后才完全消失。从出现到消失，它们在日面上移动的距离约为56,000公里，相当于地球直径的4.5倍！

这种活动现在被称为“耀斑”爆发。它会发出强烈的白光，波长范围可以从射电波段覆盖到可见光/紫外线波段，一直延伸到能量极高的X射线和伽马射线波段。可以肉眼观测到的耀斑实属罕见；因为耀斑出现的时间通常只有短短几分钟，而太阳本身的亮光会掩盖大部分较弱的耀斑爆发；实际上，卡林顿看见的耀斑很可能是近五百年来最剧烈的一次。在太阳辐射相对较弱的X射线波段，耀斑的闪光显得特别明亮，更容易观测，不过高能X射线是无法穿透大气而被地面观测到的。所以，直到卡林顿发现这种现象的近百年后，多波段天文学，特别是X射线天文学的发展，才使得耀斑的例行观测成为可能。

耀斑可以在短短几分钟内，释放出大量的能量。一个典型的耀斑爆发每秒钟释放的能量约为1020焦耳，相当于三峡电站满负荷运转174年所产生的电量。一个较大的耀斑累计释放的能量可以高达1032焦耳，比地球上火山喷发上千万次的总能量还多。一些耀斑还会将多达数百亿吨的气体，以每秒钟几百到上千公里的速度抛离太阳，这种现象被形象地称为“日冕物质抛射”。这团气体会携带着巨量的带电粒子，夹带强大的磁场，穿行于行星际空间，有时候甚至会与地球发生正面冲突。

撕掉太阳的伪装

不过，即使是最强大的耀斑，它们产生的高能辐射和高能粒子也会被地球的大气阻挡和吸收，而日冕物质抛射所吹出的大量带电粒子也会被地球磁场偏转。所以在人类历史中，这些剧烈的太阳活动几乎没有给我们的生活带来任何影响，除了偶尔绽放在夜空的极光——太阳抛出的带电粒子一部分会在地球磁场的引导下，冲入地球极区的大气层中，与空气中的分子相撞。据说，北方天际的深红色极光曾经让两千多年前的一位古罗马皇帝误以为城池失火，下令驻军连夜拔营前去救援。这恐怕是太阳活动造成的最让人啼笑皆非的误会。

这些带电粒子还会在地球赤道上方的电离层中盘旋，形成顺时针方向的环形电流（从北极方向俯视）。当太阳的日冕物质抛射与地球发生正面冲突的时候，它所携带的带电粒子会大规模涌入，使环形电流的强度突然发生变化，从而导致地面附近的磁场出现异常的波动——也就是“磁暴”。起初它只会偶尔影响指南针的准确性，但随着人类文明迈入电气时代，它真正的威力就显现出来。

发现太阳耀斑的时候，正是电报和电话飞速发展的时期。欧洲和北美上空架起了长长的通讯线路，有些甚至横跨在大西洋两岸。不久后，发报员惊奇地发现，磁暴发生时，他们不用电池就能将电报发送出去。在磁暴发生时，变化的地球磁场会在通讯线路中产生电压，感生出额外的电流。当电缆的长度延伸达上千公里时，累计的电压就会大得惊人。1940年3月的一场磁暴，在苏格兰和纽芬兰之间的大西洋电缆中产生了2,600伏的高压。1958年2月的磁暴甚至使两地的电话联系被迫中断。

更为严重的是电力系统同样会受到磁暴的影响。由于发电站和输电线路都是针对交流电的特性设计的，磁暴引发的巨大直流电很容易破坏其中的关键设备，造成整个系统瘫痪。1989年3月10日，出现了一场持久的耀斑爆发，抛出大量的带电粒子。三天后，这些粒子杀到地球，产生的巨大磁暴使加拿大魁北克省的电力供应整整中断了9个小时，超过六百万居民的生活受到影响。美国橡树岭国家实验室曾经估计，一场再稍大一点的磁暴，就会使整个美国东北部同时陷入黑暗，导致的间接经济损失将高达60亿美元。北美电气可靠性委员会认为，一场这样的磁暴对国家经济产生的冲击，足以与1989年雨果飓风和1906年旧金山大地震相提并论。此外，磁暴会在输油管线中产生电流，加剧腐蚀程度；还会使短波通讯陷入瘫痪。

大气层外的威胁

随着科技日益发达，人类逐渐体验到了太阳的威力。1957年第一颗人造卫星上天后，各式各样的卫星飞出了大气层的保护圈。一直被阻挡在大气层以外的太阳也终于找到了发泄怒气的对象。大部分卫星都在低空轨道上运行，例如哈勃太空望远镜的平均高度只有约500公里，国际空间站的高度只有约350公里。太阳活动剧烈时，高能辐射和高能粒子的涌入加热气体，使大气层膨胀，造成高空大气密度增加，大大增强了人造卫星飞行时所受的阻力，降低它们的轨道高度，最终缩短它们的运行寿命。例如，造成加拿大魁北克大停电的耀斑爆发，曾经使840公里高度的大气密度增加了9倍，导致美国军方跟踪的5,000多个空间目标偏移轨道，不得不重新寻找和计算它们轨道参数。

高能带电粒子还直接袭击人造卫星。它们在卫星上产生放电或电弧，直接破坏卫星的电路，使卫星暂时或永久丧失功能。1989年那场太阳大爆发，美国GOES-7气象卫星被高能粒子击中，半数太阳能电池板被毁，卫星的使用寿命缩短了一半。1997年1月的日冕物质抛射，导致美国通讯卫星Telstar 401失灵，迫使北美的部分寻呼和电话业务中断，对金融市场造成了不小的冲击。我国发射的风云1号卫星也因为两次带电粒子的偷袭，在短短半年后草草结束了运行。据统计，在卫星系统的故障中，大约40％都是由太阳的剧烈活动引起的。

对身处地球保护圈以外的人来说，太阳耀斑爆发出的高能质子能穿透人体，同时释放出高能辐射，破坏体内的组织和器官。1969年到1972年，阿波罗计划成功地使12位宇航员踏上了月球，现在回想起来，却让人惊出一身冷汗。假如阿波罗12号提前几周登月，他们就会在月面上“巧遇”耀斑爆发。阿波罗16号和17号登月之间出现的大耀斑，甚至可以直接把宇航员杀死在月面上！短期的阿波罗计划可以幸运地避开，但长期的月球基地计划和火星之旅却无处可躲。

人类科技的发展已经剥去了太阳友善的伪装；与此同时，人类对科技的日益依赖，也使我们越来越容易受其影响。因此，研究和预测太阳的剧烈活动，与我们的日常生活息息相关。幸运的是，科学家最近已经找到了一些蛛丝马迹，为揭开太阳耀斑的起源提供了重要证据。