互动科普

超级太阳风暴

撰文  斯滕·F·奥登瓦尔德（Sten F. Odenwald）

         詹姆斯·L·格林（James L. Green）

翻译  谢懿

1859年8月28日，星期天，当夜幕降临在美洲大陆时，天空中出现了魅影般的极光。从美国缅因州到佛罗里达州，舞动的极光占领了夜空。连惊恐不安的古巴人，也发现极光竟然出现在了自己的头顶上方。航海日志上也有记载，在赤道附近，深红色的极光照亮了半边天，许多人都以为是城里着火了。与此同时，全世界的科学仪器都记录到地球磁场持续变化了数分钟，随后突然超过了最高刻度。全世界的电报系统都受到了外来电流的干扰。在美国巴尔的摩，为了拍发仅仅400字的新闻报道，发报员一直从晚上8点工作到第二天上午10点。

在接下来的那个星期四（也就是1859年9月1日）中午11时18分，正在为一个特大太阳黑子群描绘草图的英国天文学家理查德·C·卡林顿（Richard C. Carrington）发现，在两群黑子（sunspot）中间，出现了一块非常明亮的白色亮斑。他试图呼喊天文台中的其他人来一起欣赏，但这一壮观景象仅持续了5分钟，鲜有观众能和孤独的天文学家一起分享这份激动。17个小时以后，第二波极光将北美大陆的夜晚变成了白昼，最南一直延伸到了巴拿马，人们可以在这深红色和绿色的极光下阅读报纸；美国落基山脉里的矿工误以为已经日出，在凌晨1点便起床吃早饭；与此同时，欧洲和美国的电报网再一次陷入瘫痪。

当天的新闻媒体希望能找到可以解释这些现象的专家，但当时的科学家对极光一无所知。极光是来自太空的陨石物质、两极冰山的反光还是高空中的闪电呢？正是1859年的壮丽极光，为极光研究开创了新的时代。当年10月15日出版的《科学美国人》写道：“现在看来，极光和电力以及磁场之间必然存在着联系。”后续的研究终于发现，极光是由太阳活动暴发引起的。太阳活动暴发会喷出巨大的等离子体（plasma），扰乱地球的磁场。

1859年的超级太阳风暴，发生在第二次工业革命的前期，因此破坏力并未完全展现。如果发生在今天，它会严重破坏人造卫星，使无线电通讯中断并导致洲际电网瘫痪，造成的损失需要几周甚至更长的时间才能恢复。尽管达到这种级别的太阳风暴500年才会出现一次，但是强度减半的太阳风暴大约每50年就会侵袭地球一次。这样的太阳风暴上一次出现的时间是1960年11月13日，造成了全世界范围内的地磁场扰动和无线电通讯中断。根据计算，如果我们事先毫无准备，那么下一次超级太阳风暴造成的直接和间接损失，将与一次强台风或者大地震造成的破坏不相上下。

“超级风暴”

太阳黑子的数目以及其他与太阳磁场活动有关的现象，会以11年为周期循环变化。目前的这个太阳活动周期已于2008年1月份开始，在未来的5年中，太阳会从沉睡中慢慢苏醒。在上一个为期11年的太阳活动周期中，太阳表面共出现了21,000个耀斑（flare）和13,000次电离气体（ionized gas）云暴发，这些现象被统称为“太阳风暴”（solar storm），是太阳表面气体的湍动造成的。在某些方面，太阳风暴就像是地球上风暴的放大版，但两者的重要区别在于，磁场会激活太阳表面的气体、改变它们的运动，并且为它们注入能量。耀斑和地球上的雷暴很相似。它们通常是太阳表面小范围内（方圆数千千米）的磁场变化所引发的高能粒子（energetic particle）和强X射线暴发。太阳日冕物质抛射（coronal mass ejection，简称CME）则跟地球上的飓风类似，它们其实是巨大气泡状磁场，直径可达上百万千米，能把几十亿吨的等离子云（plasma cloud）以每小时几百万千米的速度抛射入太空。

绝大多数太阳风暴仅仅带来南北极跃动的极光，就如同午后的一场小雷阵雨，不会对地球有太大的影响。可是，太阳偶尔也会露出它狰狞的一面。如今活在地球上的人们没有一个经历过来自太阳的超级风暴，但令人惊奇的是，在一些地方人们却发现了它们曾经造访地球时留下的蛛丝马迹。美国马里兰大学的肯尼思·G·麦克拉肯（Kenneth G. McCracken）发现，在采集自格陵兰和南极的冰芯样本中，硝酸盐气体的浓度在某些年份会出现陡增。从最近几十年的资料来看，硝酸盐气体浓度和太阳风暴直接相关。在1859年的冰芯样本中，硝酸盐气体浓度是过去500年中最大的，相当于近40年来的总和。

除了剧烈程度之外，1859年的超级太阳风暴和其他较小的太阳风暴相比，并没有本质的区别。根据历史资料以及最近几十年来人造卫星对中型太阳风暴的研究，我们和许多科学家再现了当年的景像：

1. 酝酿阶段。1859年超级风暴的酝酿，与太阳赤道附近一个庞大黑子群有关。这个黑子群极为巨大，卡林顿等天文学家（在适当的保护下）用肉眼就能看到它。在太阳风暴引发日冕物质抛射的瞬间，这个黑子群正对地球，使地球恰好位于靶心。事实上，太阳不一定非得是一个神射手，因为当被抛射的日冕物质抵达地球轨道时，它们的直径通常会膨胀到5,000万千米，覆盖范围可以容下数千个地球。

2. 第一次暴发。这个超级太阳风暴引发的日冕物质抛射不止一次，而是两次。第一次暴发大约在40~60个小时后到达地球。1859年的磁力计数据显示，抛射的等离子中磁场可能是螺旋形的；刚到达地球时，该磁场指向北方。在这个方向上，磁场会增强地球的磁场，把它对地球的影响降到最低。但日冕物质抛射依然会挤压地球磁层（magnetosphere，位于离地面600～1,000千米高处，在这个区域里地球磁场支配着太阳磁场），造成被地面磁力计记录到的地磁暴，这就是太阳学家所说的磁暴急始（sudden storm commencement）。除此之外，它的降临悄无声息。然而，当等离子体不断和地球擦肩而过的时候，它的磁场也在慢慢地转向。15个小时之后，日冕抛出物的磁场完成了转向，与一开始能增强地磁场的方向正好相反，于是，等离子中指向南极的磁力线和地磁场中指向北极的磁力线相接。随即发生的磁力线重联过程将磁场“拉直”，进而释放出了磁力线中储存的巨大能量。这一过程同时也引发了电报系统的瘫痪和极光的出现。在这波等离子体穿过地球之后1~2天，地球的磁场才恢复如初。

3. X射线耀斑。大量的日冕物质抛射通常会伴随有一个或者多个强耀斑，1859年的超级太阳风暴也不例外。卡林顿看到的白光耀斑和其他人在9月1日看到的耀斑暗示，它们的温度接近5,000万℃，因此，它发出的不仅仅有可见光，还有X射线和γ射线。这是有观测记录以来最明亮的太阳耀斑，往太阳大气中注入了巨大的能量。8分半钟之后它发出的辐射便到达地球，远早于第二次日冕物质抛射。如果当时有短波无线电通讯的话，它对电离层（ionosphere，距离地面60~600千米的大气层，处于部分电离的状态，可用于反射无线电波）的干扰会造成短波通讯失灵。X射线也会加热地球的上层大气，使得它向外膨胀几十到几百千米。

4. 第二次暴发。在周围的太阳风等离子还没来得及充满第一次日冕物质抛射经过之后留下的“空腔”之时，太阳又引爆了第二次日冕物质抛射。由于几乎没有阻挡物质，第二次日冕物质抛射在17个小时内就到达了地球。由于这一次抛射物质中的磁场指向南极，当它们抵达地球时，地球磁场顷刻间就被破坏了。原本可以延伸到60,000千米的地球磁层受到了严重的挤压，被压缩到了7,000千米甚至平流层（stratosphere）的上层。环绕地球的范艾伦辐射带（Van Allen radiation belts）也被迫暂时消失，大量质子和电子涌入地球上层大气。这些粒子造成了全世界许多地方都看得到的明亮红色极光。

5. 高能质子。太阳耀斑和日冕物质抛射都能让质子能量增加到3,000万电子伏特以上。在北极地区，地球磁场的保护作用最弱，这些粒子可以深入地球大气层，到达距离地面50千米的地方，并给电离层带去额外的能量。按照美国瓦希巴大学布莱恩·C·托马斯（Brian C. Thomas）的估计，1859年超级太阳风暴引发的质子簇射（proton shower）使平流层中臭氧的浓度下降了5%，4年之后才恢复到原来的水平。能量大于10亿电子伏特的超高能质子，会和空气中的氮及氧原子核相互作用，产生中子并且导致硝酸盐丰度异常。大量中子射向地面的事件现在被称为“地面流强增长事件”（ground level event，缩写为GLE），但当时人类的技术还无法探知这一现象。幸运的是，这种现象对于人体而言是无害的。

6. 强大电流。当极光从它们通常出现的高纬度地区一直蔓延到低纬度地带，附随的电离层和极光电流会在地面上诱导产生横贯整个大陆的强大电流。这些电流渗入电报线路，高压强电流还会造成附近人员伤亡及数个电报站被烧毁。

烧毁卫星

当强烈的地磁暴（geomagnetic storm）发生的时候，首当其冲的受害者就是人造卫星。即便在正常的条件下，宇宙线粒子也会侵蚀卫星的太阳能板，造成电力输出每年减少大约2%。入射粒子同时也会和卫星上的电子器件发生相互作用，许多通讯卫星都因此受损或者失灵，比如1991年的Anik-E1卫星、Anik-E2卫星和1997年的Telstar-401卫星等。在短短几小时内，一个大型太阳风暴就可以使人造卫星的寿命缩短1~3年，同时还会造成数百起故障，小到发出错误指令，大到毁灭性放电。

为了研究太阳风暴对通讯卫星会有哪些影响，我们模拟了1,000种超级太阳风暴来袭的方式，强度从人类进入太空时代以来最强的太阳风暴（1989年10月20日）到1859年的超级太阳风暴一应俱全。我们发现，太阳风暴不仅会像预期一样侵蚀太阳能板，还会造成巨额的转播收益损失。在模拟中，即使我们假设卫星所有者和设计者使用备用转播通道，并在卫星发射时保留10%的额外电力来减小破坏的影响，损失总额仍然超过200亿美元。在更糟糕的情况下，损失可以接近700亿美元，这几乎是所有通讯卫星一年的转播收益。这一数字还不包括由此给卫星用户造成的附带经济损失。

幸运的是，对十年一遇的太阳风暴，地球同步通讯卫星有很强的抵御能力，它们的工作寿命也从1980年时的不到5年延长到了现在的17年。工程师用砷化镓（gallium arsenide）替代原先的硅来制作太阳能电池板，这样可以增加电力输出、减轻重量，还能增强太阳能板抵御宇宙线的能力。此外，卫星的控制中心会事先收到来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）空间天气预报中心的太阳风暴预警，以避免在风暴可能来临的时候对卫星实施复杂的操作或其他改装。这无疑会降低太阳风暴对卫星的影响。为了进一步保护卫星，工程师们还可以加厚卫星上的防护层，降低卫星上的电压以减小放电的风险，增加额外的备份系统并且完善相关的软件以应对异常数据。

但超级太阳风暴的其他效应却很难对付。X射线能量的注入会使地球大气层膨胀，进而加大对轨道高度在600千米以下的军事卫星、商业成像卫星以及通讯卫星的阻尼（drag force）作用。在2000年7月14日恶名昭彰的“巴士底日”太阳风暴中，日本的“宇宙学及天体物理高新卫星”便遭遇了这一情形，结果造成卫星行动失控和能源损失，最终使它寿命缩短，在几个月后坠入大气层。超级太阳风暴对低轨卫星的威胁尤为明显，通常会使这些卫星在几周或者几个月之内掉入大气层中烧毁。

大面积停电

尽管有各种各样的问题，但是卫星至少可以使用特殊设计，以便在不同的空间天气条件下工作。然而，地面上的电网却极为脆弱。按照美国劳伦斯伯克利国家实验室克里斯蒂娜·哈马其－拉科梅尔（Kristina Hamachi-LaCommare）和约瑟夫·H·埃托（Joseph H. Eto）的评估，局部停电对美国经济造成的损失可以高达每年800亿美元。随着过去十年间电网功率裕度（power margin）的不断降低，面对不断增长的电力需求，电网可回旋的余地也变得越来越少。

在太阳风暴来临的时候，全新的问题就会涌现。大型变压器都是接地的，极容易受到由地磁场诱导产生的直流电的冲击。直流电会顺着变压器的地线（ground wire）“逆流而上”，导致变压器温度上升到200℃以上，造成冷却剂蒸发，进而烧毁变压器。即使变压器没有被烧毁，诱导电流（induced current）也会使变压器的磁核（magnetic core）在交流电循环过程中处于饱和状态，扰乱50或者60赫兹交流电的波形。其中一些交流电的频率还会超出电子设备可滤出的范围。与一时的故障不同，变压器会长时间处于这一状态。由于地磁暴会影响所有的变压器，这一情况很快就会波及整个电网。只要外界用电稍一接近最大负荷，整个供电系统就会瘫痪。

根据美国Metatech公司约翰·G·卡彭曼（John G. Kappenman）的研究，1921年5月15日的磁暴（magnetic storm）如果发生在今天，可以导致半个北美洲断电。而1859年的超级太阳风暴则可以摧毁整个北美洲的电网。虽然其他发达国家也不能幸免，但是由于靠近地球磁北极，北美大陆面临更大的危险。对于变压器的物理损坏，更换受损部件并完全恢复往往需要数周甚至数月的时间。2003年卡彭曼在美国国会上证实说：“除非能向受灾人口提供有效的紧急援助，否则将有超过1亿人的生活陷入困境。”

超级太阳风暴还会影响全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）及相关的无线电信号。太阳耀斑不仅会干扰传播GPS即时信号的电离层，还会在GPS信号波段上产生额外的噪音信号。结果使GPS定位误差可以达到50米以上，无法在某些军事或者民用领域使用。2003年10月29日的太阳风暴使用于提高GPS精度的广域增强系统被迫关闭，民航客机不得不采用备用导航系统。

来自太阳风暴的高能粒子也会干扰飞机的无线电通讯，尤其是在高纬度地区。美国联合航空公司要不断地监测空间天气状况，在个别情况下，甚至要把穿越极区的航线调整至低空和低纬度地区，以避免无线电干扰。一次超级太阳风暴可能会迫使几百架途经极区以及加拿大和美国北部的航班改变航线，而且这种糟糕的状况可能会持续一周。

严阵以待

具有讽刺意味的是，在当今社会越来越容易受到太阳风暴影响的同时，公众对此事的关心程度却变得越来越低。最近，通过检索19世纪40年代以来报纸上对于空间天气事件的报道，我们发现重大转变出现在1950年前后。在那之前，磁暴、太阳耀斑以及有关的效应经常能荣登报纸的头版头条。1940年3月24日，《波士顿环球报》刊登了5厘米宽的头条“磁暴袭击美国”。但从1950年以后，类似内容就再也没上过头条。

即便是小型太阳风暴也会造成损失。2004年，美国天主教大学的凯文·福布斯（Kevin Forbes）和美国宇航局戈达德航天中心的奥维尔·克里斯·圣西尔（Orville Chris St. Cyr），统计了2000年6月1日至2001年12月31日的电力市场交易情况。他们发现，在太阳风暴期间，电力的批发价格上涨总量约为5亿美元。与此同时，美国国防部估计，太阳风暴对政府卫星的破坏造成了大约每年1亿美元的损失。另外，在1996年到2005年间，保险公司就商业卫星受损或者失灵所支付的赔偿达到了20亿美元，这其中有许多是由不利的空间天气造成的。

未来我们会拥有更可靠的太阳风暴和地磁暴预报。有了足够的预警信息，卫星控制中心就可以推迟卫星临界机动操纵，并严密监测卫星上的异常情况（对这些异常情况反应不够迅速的话，就有可能酿成惨祸）；航线的更改能够事先制定预案，让飞行员从容不迫；电网控制中心也可以监控易受攻击的电网并制定应对方案。

美国航空航天局（NASA）和美国自然科学基金委员会等机构，过去20年来一直在研究空间天气预报。最近，美国国家海洋和大气管理局的空间天气预报中心已经可以每天向超过1,000个商业和政府部门提供空间天气报告。该中心年度预算仅为600万美元，远低于这些预报给各个行业带来的接近5,000亿美元的收益。这种预报能力也倚赖于未来能够设计更多的科研卫星，长期而有效地对空间天气进行监测。

一些科学家认为，目前对空间天气的预报能力，与20世纪50年代初美国国家海洋和大气管理局的天气预报能力差不多。从监测的角度来看，我们需要简单、便宜、耐用并且可以批量生产的空间设备来监测空间天气状况。然而目前，要了解太阳风暴的物理机制并且预报有关效应，科学家还有很长的一段路要走。如果我们真的想保护我们的技术文明，我们必须加大在预报、建模以及基础理论研究上的投入，以应对下一波来自太阳的超级风暴。