太陽風暴 橫掃地球

來源：科學時報 發布時間：2003-11


沉默的太陽再次“發怒”

　　中國科學院空間環境預報中心是直接為“神舟”飛船檢控部門提供空間環境預報的單位。該中心的業務預報組組長劉四清副研究員告訴記者：“一年以來太陽都沒有大的爆發，從太陽周的時間上講，已經進入太陽活動的低年，可能很多人都認為太陽應該‘風平浪靜’了，但這個時候它卻又發生了強烈的爆發。”據劉四清介紹，太陽以前在低年也有過爆發，但是這次爆發強度之大和持續時間之長，甚至可以與峰年的大爆發所比肩，還是非常少見的。

　　通過觀察發現從１０月２２日開始，多個黑子群開始在太陽表麵活動，日麵上出現了三個麵積很大的活動區４８４、４８６和４８８。“它們不是孤立的。就像打開了一個開關一樣，多個黑子群都開始活躍了。”劉四清說，從１０月２２日開始，他們就預測指出，在未來一段時期內，太陽將爆發劇烈活動，並引起強烈的近地空間環境擾動，對“神舟”飛船留軌艙造成一定的影響。從１０月２６日起，空間預報中心開始根據太陽活動和空間環境擾動情況，每日向相關部門提供空間環境警報。

　　１０月２６日，４８４活動區產生了一個Ｘ１．１級的太陽耀斑和多個Ｍ級的太陽耀斑，引發了一個太陽質子事件。但這次太陽風暴還不算特別強烈，而且此次爆發的物質拋射也不是直接麵向地球的。
　　１０月２８日，４８６活動區開始“發威”了，出現了Ｘ１７．２級的大耀斑。劉四清說，耀斑分為Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｍ、Ｘ這５個級別，Ｘ級的就已經是很大的耀斑了，而在Ｘ級中還達到Ｘ１７，更是少見的大耀斑。國外科學家也對這次太陽爆發感到驚訝，不僅僅因為本次太陽周的峰年已經過去３年，也因為這次太陽風暴引起的地磁暴達到了Ｇ５級，這是最高級別的地磁暴。更令科學家關注的是，等離子體雲１９個小時就到達了地球，比通常的情況快了很多。但是也有科學家也指出，由於這一等離子體雲是北向磁場，與地球磁場方向一樣，情況還算“幸運”。

　　但是４８６活動區並沒有偃旗息鼓。１０月２９日，這一區域又出現了Ｘ１０．０級的大耀斑。加上前幾天的爆發，４８６活動區產生了６個Ｘ級耀斑和８個Ｍ級的耀斑。新一輪的太陽風暴向地球襲來，引起了幾乎同等規模的地磁暴。英國《新科學家》雜誌評價道，一次這種規模的直接指向地球的太陽爆發已經比較少見了，連續兩次這種規模的爆發就更是空前，而且第二次的等離子體雲到達地球也幾乎同樣地快速。１０月２８日的太陽風暴造成的等離子體雲已經使得正常的通訊受到幹擾，飛機改變航線，衛星失靈，電力公司為他們的電廠安全提心吊膽。而這次大爆發造成的等離子體雲，與前一日不同的是還帶上了與地磁反向的磁場，美國太陽觀測衛星ＳＯＨＯ的負責人Ｐａａｌ Ｂｒｅｋｋｅ說“這意味著更猛烈的地磁擾動”。

　　總結十多天來太陽上的“熱鬧”事件，劉四清說：“一般來說，太陽風暴造成的影響有三個方麵，首先是電磁輻射，包括Ｘ射線、射電輻射等；第二是高能質子流，我們稱它為太陽質子事件；還有就是會引發地磁暴的磁化等離子體雲。有時太陽風暴可能某一方麵影響強點，另一方麵影響弱點，但是這次太陽風暴的影響可以說是全方位的，這三個方麵的影響都非常強。日冕物質拋射是正對地球的，而且１０月２８日和２９日的地磁暴被疊加在一起，其強度甚至超過了峰年２０００年的大地磁暴。太陽的射電流量也從１０月２３日開始急劇上升，在２９日達到峰值。”

　　國家天文台太陽活動預報組的王華寧研究員也給了記者這樣幾個數據：這次太陽風暴的Ｘ射線流量是１９８０年以來的第三位，本太陽周以來的第二位；黑子活動麵積是本次太陽周以來最大的；質子流量是本次太陽周以來第二強的。

　　太陽打了兩個大大的“噴嚏”後，是否會安靜下來呢？空間環境預報中心１０月３１日在網站上發布的預報指出：“由於活動區４８６將有４天左右的時間出現在日麵，而活動區４８８也擁有很大的麵積，目前強烈的地磁暴仍在進行，因此，本周的前半部分時間太陽活動仍將處於很高的水平，仍可能出現很強的質子事件，本周仍可能出現新的強地磁暴。”
 
　　１１月３日，截至記者發稿，來自中國科學院空間環境預報中心的消息稱，４８６活動區再次強烈爆發，產生Ｘ８．３級耀斑，並伴有強烈質子事件，這也印證了之前的預測。

　　來自太陽的三大“殺手”

　　“其實，太陽風暴是一種通俗說法，是指太陽的劇烈活動及其引發的對行星際和近地環境的擾動。”國家基礎研究重點規劃項目（“９７３”計劃）“太陽劇烈活動與空間災害天氣”首席科學家、國家天文台研究員汪景琇這樣告訴記者。

　　縱然沒有太陽活動，太陽也會向它周圍的空間輸出電磁輻射和太陽風，即高速帶電粒子流。因此，太陽電磁輻射、太陽風、行星際磁場、地球磁場、地球大氣層構成了日地空間基本環境。一旦有了太陽活動，就可能在日地空間產生“風暴”。汪景琇說，太陽風暴對於地球的影響，從科學上分類主要是三種形式：電磁輻射、高能粒子和磁化等離子體雲。這三大“殺手”分別以不同的速度襲擊地球。

　　首先到達的“殺手”是電磁輻射。太陽耀斑爆發期間，僅需約８．３分鍾，由太陽發生的增強的Ｘ射線和紫外線就會以光速傳到地球，被地球上層大氣吸收，使得電離層受到突然擾動。其中主要現象是電離層電子密度增加，反射短波的高度發生變化，可能導致地球向陽麵短波通訊中斷數小時。這就是通常所說的突然電離層騷擾，其結果是會給通訊、導航、定位帶來影響；而中性大氣上抬，密度發生變化，也會導致衛星的軌道下降，衛星姿態發生變化。

　　 第二快“殺手”高能粒子其實也沒落後太多。汪景琇說，太陽輻射的高能粒子根據被加速的不同情況，有時會很快，以接近光速的速度“奔”向地球，也就隻需要１０來分鍾；有時也可能慢一些，需要幾十分鍾。行星際激波加速的高能粒子可能來得更遲，其中能量約為１０ＭｅＶ的粒子通量可超過一般環境下幾個數量級，稱為太陽質子事件。太陽質子事件中的高能粒子會對空間運行的航天器、航天員產生傷害，可能使指令係統發生錯誤。

　　最後一個到達的“殺手”是磁化等離子體雲。其實它的速度也不慢，在空間運行的速度可達每秒１０００多公裏，它壓縮前麵的太陽風等離子體形成激波，約２～３天到達地球軌道。汪景琇說，如果等離子體雲是南向磁場，那麽就會與地球的磁場發生“磁重聯”，即與地球磁層作用引起地磁亞暴、地磁暴、空間粒子暴和電離層暴。如果等離子體雲的磁場是北向的，那麽危害相對小一些。磁化等離子體雲對地球磁層的撞擊不僅導致地球輻射帶電子密度增加，從而使衛星充電，而且會產生強大的感生電流，對地麵技術設備產生影響。突出的例子是對長距離的輸電係統的影響。１９８９年３月，加拿大魁北克地區為六百多萬人供電的Ｈｙｄｒｏ－Ｑｕｅｂｅｃ電力公司的變壓器因感應電流過大而燒毀，整個電網在不到９０秒鍾內全部癱瘓。停電事故使電力公司蒙受了１０００萬美元的損失，用戶總損失達１０億美元。同時，瑞典的中部電網不得不關閉，美國局部供電出現故障，東京電力公司變壓器被毀，美國核電站出現安全問題，澳大利亞輸油管道受損，大西洋和太平洋海底電纜出現高壓脈衝。
　　汪景琇說：“這幾個影響應該說是連續的而且是連鎖的過程。”
　　
　　太陽的“脾氣”還無法摸透

　　由於太陽風暴在曆史上曾經造成過嚴重的經濟損失，美國國家海洋與大氣局太空環境中心副局長榮·茨威格說：“如果能提前——哪怕是一個鍾頭——預報太陽風暴的到來並加以警告，我們受太陽風暴影響造成的損害就能減低到盡可能地小。”目前人類對太陽風暴的預報能力如何呢？我們能像現在的氣象預報一樣，比較準確地預測太陽什麽時候會“發脾氣”嗎？

　　國家天文台的汪景琇研究員和王華寧研究員都很肯定地告訴記者：“現在，無論是國際還是國內，都還做不到這一點。”他們說，到目前為止，太陽物理工作者對太陽磁場能量的釋放、耗散的物理機製尚未得到滿意的解釋，對太陽磁場產生的原因還不甚了解。因此太陽物理依然是一門十分活躍的基礎學科，基礎研究與預報業務的分野尚不能實現。

　　有一種說法認為，目前空間天氣預報的水平隻相當於１９世紀６０年代的地麵氣象預報水平，因為從那以後，氣象預報有了衛星雲圖，而空間天氣預報到現在也沒有自己的“衛星雲圖”。中科院空間環境預報中心主任龔建村研究員則告訴記者：“恐怕還隻能達到氣象預報上個世紀三、四十年代的水平。因為我們還缺乏好的預報理論和模式，還隻能是研究人員一邊做研究，一邊用經驗尋找規律。”但是他說，目前，研究人員在２４小時到７２小時的預報尺度上取得了比較大的進展，特別是２４小時預報相對是比較可靠的，應該說基本上能夠滿足航天活動的要求。但是中長期的空間天氣預報還無法做到準確。

　　王華寧認為，現在國際上的情況是：理論進展很緩慢，而觀測手段正突飛猛進，隨著歐美國家一係列空間衛星的發射，科學家們所得到的觀測數據正變得空前豐富。１９５７年以來已經發射了約２００顆日地物理科學衛星，目前約２０顆仍在工作，比如美國和日本合作發射的“陽光”衛星、美國和歐洲合作發射的“ＳＯＨＯ”衛星、美國的ＴＲＡＣＥ和ＲＨＥＳＳＩ衛星等等，而且未來歐美日還將發射大量新的太陽探測和空間天氣監測衛星。現在全球地麵太陽活動監測預報網已經初步形成，許多國家的政府都直接參與製定和組織實施本國國家空間天氣計劃。美國已經計劃２００６年開始常規空間天氣預報。

　　據介紹，我國也有了一個初步的地麵日地環境監測網，如太陽光學和射電觀測、地磁觀測、電離層觀測等，擁有最近兩個太陽周以來最完整最連續的太陽向量磁場觀測資料；進行了一係列日地物理研究計劃；已有一支年齡結構比較合理的日地物理研究隊伍，我國科技人員以第一作者身份在國際著名刊物Ｓｏｌａｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ上發表的研究論文已占該刊論文總數的７％。長期以來，我國的太陽活動觀測與預報為地震、災害性氣候預測提供依據，為我國航天活動提供服務；“９７３”計劃“太陽激烈活動與空間災害性天氣”也已經啟動；２００１年經國家批準，以探測地球空間暴為目標的“雙星計劃”正式開始，“赤道”星也將於今年年底升空。

　　談到我國相關領域研究的地位，汪景琇認為，我國學者在國際上占有相當的學術地位，在太陽表麵向量磁場觀測研究方麵有一定的發言權。但是對日冕物質拋射等研究，由於起步比發達國家晚，目前正在趕上來。龔建村則指出，我國的空間天氣預報水平與發達國家相比，業務能力上的差距並不大，在太陽質子事件的預測方麵還有自己的獨特優勢，但是探測能力就落後很多。王華寧也指出，到目前為止，我國還沒有太陽探測衛星發射升空，新世紀我國經濟和國防建設對研究和預測太陽風暴的需求將不斷增加，研製發射空間太陽望遠鏡並且在國家層麵上組織空間天氣計劃勢在必行。

　　太陽頻頻“騷擾”地球

　　對於這幾次頻繁發生的太陽風暴，盡管人們采取了一定的保護措施，太陽打的這幾個“噴嚏”還是不可避免地給地球造成了一些影響。

　　日本宇宙航空研究開發機構有關人士說，位於印度洋赤道上空約３．６萬公裏高度的 “回聲”數據中繼衛星１０月２９日淩晨出現信號異常，衛星大部分裝置已經停止運轉，進入耗電最少的安全狀態，等到太陽耀斑爆發停止之後再恢複正常運行。此外，環境觀測衛星“綠色２號”的太陽能電池板發電能力也基本喪失，致使通信中斷，這可能與２４日開始光臨地球的太陽風暴有關，“綠色２號”衛星已經永遠不能恢複使用。研究人員說，衛星電路係統出現故障可能是帶電粒子流擊中衛星所致。去年４月，日本“希望”號火星探測器部分電源也曾因此出現短路現象。

　　國際空間站上的兩名美俄宇航員則按照要求短暫撤離到了“曙光”號功能貨艙尾部，以躲避太陽風暴發出的強輻射。

　　而磁暴也已經迫使美國空中交通指揮部門調整了一些橫渡大西洋的航線。據《紐約時報》報道，美國聯邦航空局已經提醒飛機乘客注意輻射的增加，該機構稱，在北緯３５°以北２５０００英尺高度以上飛行的人，每個小時平均接受的輻射總量相當於地表上兩天的水平。

　　美國北部和加拿大一些電網出現了電流急衝現象，美國北極光可見區域顯著南移，甚至有人在得克薩斯州的埃爾帕索看到了北極光。

　　瑞典一家電力公司１０月３１日說，強太陽風暴引發的地磁暴導致瑞典南部城市馬爾默１０月３０日停電一小時，影響到該市約２萬戶家庭的生活。

　　美國馬薩諸塞州的劍橋天文物理研究中心的專家稱，由於太陽風暴可能影響到通訊衛星的信號，這將給加州滅火工作帶來很大不便，因為加州依靠衛星信號來安排滅火和救助工作。１０月２５日發生的加州大火迄今已造成多人死亡，上萬公頃森林和無數民房被燒毀。
 
　　不過，與“地理緯度相對低，地磁緯度相對高”的美國正好相反，我國的情況是“地理緯度相對高，地磁緯度相對低”，所以受極光的影響就較小。但也不可掉以輕心。以衛星電視節目為例，最近的圖像就有點受幹擾。

　　來自中國電波傳播研究所的消息，受地磁暴影響，從１０月３０日２３點到１０月３１日早晨８點，我國最北的電波觀測點——滿洲裏觀測站出現擴散效應，回波十分微弱。從８點開始，短波信號完全中斷，於下午１點多恢複。北京觀測點從１０月３１日早晨５點開始，電波反射頻率也大幅下降，信號明顯減弱。

　　中國科學院空間環境預報中心的劉四清副研究員說，在太陽風暴的影響下，“神舟”五號留軌艙運行高度明顯降低。留軌艙在正常運行過程中，一般也會緩慢降低。而這次受太陽風暴影響，大氣密度增加，阻力增大，大大加劇了軌道艙的降低幅度。他們從１０月２７日開始對此進行詳細的跟蹤，對“神舟”五號留軌艙可能發生的運行高度降低進行了及時的預報。至於高能質子攻擊，他們認為考慮到“神舟”五號留軌艙的軌道高度，還不會受到太大的影響。該中心主任龔建村研究員說，目前，“神舟”五號軌道艙內的儀器，包括太陽能電池帆板等工作正常，軌道艙的一些敏感元器件，已經穿上了一層防輻射的“厚棉襖”，即使今後遭遇到強度較大的高能粒子流，“神舟”五號飛船也可以采取關機或調整姿態等措施避過傷害。

　　對於公眾特別關心的太陽風暴對於人體健康的影響，記者采訪的幾位專家都表示，太陽風暴對人體（航天員除外）的影響並不顯著，這應感謝地球完美的構造。雖然太陽爆發時發生的紫外線和Ｘ射線的強度可以達到平靜時的數十倍甚至數百倍，並拋射出大量的高能帶電粒子，但幸運的是地球稠密的大氣層保護了我們，吸收了大部分的紫外線和Ｘ射線，地球磁層很好地屏蔽掉了高能帶電粒子，使我們免受輻射損傷。

　　不過，是否完全沒有影響呢？目前很多科學家還在對此進行廣泛的研究。而國家天文台的王華寧研究員則提出，對人體最大的危害其實相當一部分是心理上的，因為很多人對太陽風暴的影響並不十分了解，所以造成一定程度的恐慌。其實，這是完全沒有必要的。

背景鏈接：
　　太陽風暴給人類帶來的損失
　　１９５８年２月９～１０日，地磁暴造成北大西洋電報電纜中斷，加拿大多倫多停電。
　　１９７２年８月４日，強磁暴使美國伊力諾伊等州電力電纜中斷，變壓器損壞。
　　１９８９年３月１３～１４日，強磁暴造成加拿大魁北克地區電網停電。短波無線電通訊中斷了約兩周。ＬＯＲＡＮ的全球導航係統在３月６號到１３號無法正常導航，美國海軍導航係統在全球範圍內失效，ＧＰＳ全球定位係統失效，日本一顆通訊衛星異常，美國一顆衛星軌道下降。
　　１９９１年４月２９日，強磁暴發生後使美國緬因州核電廠發生災難性破壞。
　　１９９７年１月６～１１日的日冕物質拋射使ＡＴ＆Ｔ公司通訊衛星報廢。
　　１９９８年５月１９日，美國“銀河”四號通訊衛星失效?同時德國一顆科學衛星報廢。