海外文摘――你未必知道的太阳风暴




你未必知道的太阳风暴
Shea　编译
	20XX年9月22日午夜，美国曼哈顿的上空出现了舞动的彩色光幕。很少有纽约人见过极光，但是他们的兴奋只持续了一会儿。几秒钟之后，灯泡开始变暗并且闪烁，然后又瞬间变亮，之后所有灯光消失。90秒钟内整个美国东部地区陷入停电状态。1年之后，美国有数百万人死去，整个美国的基础设施陷入瘫痪。欧洲、中国和日本也在挣扎着从这一严重的事件中恢复元气。　　这并不是“地球毁灭”的前兆，而是距离我们最近的那颗恒星——太阳——极有可能实实在在地给地球来的一套“组合拳”。听起来似乎耸人听闻，但几十年来现代文明已经悄悄地为自己埋下了自我毁灭的种子，严重依赖于技术的现代生活使我们不知不觉地暴露在了极端的危险之中：来自太阳表面的风暴可以轻而易举地让人类文明遭受重创。　　太阳是一个高温气体球，绝大部分是氢。它的表面由大量“翻腾”着的等离子体——带电的高能粒子——组成，其中一些会从太阳表面逃逸并且向外传播，形成太阳风。有时候太阳甚至会以剧烈爆发的形式向外喷射出等离子体，这就是对地球危害最大的太阳风暴。如果太阳风暴不幸击中地球磁场，就会造成严重的结果。 [图片说明]：太阳风暴重创人类文明的想象画。与太阳风暴同行　　人类历史上已经经历了不计其数的太阳风暴，其中不乏极为壮观和造成恶劣后果的。　　1859年8月28日至29日的晚上几乎整个世界都看到了引人注目的极光。在美国，数千人目睹了“天空中……飘动着多年来最绚丽的帏帐”。对于在那个周六夜晚出现的极光，《纽约时报》这样写道：“（它）由此将位列那些人的一生中只会出现一或者两次的事件。”从美国的缅因州到佛罗里达，舞动的极光随处可见。许多人以为是城里着了火。惊恐不安的古巴人发现极光竟然就出现在自己的头顶上方，而航海日志上也记载了在赤道附近可以看到极光覆盖了四分之一的天空。　　1859年9月2日则出现了更为壮观的极光，展现出了非同寻常的光辉和绚丽的颜色，在全世界范围内持续到了1859年9月4日。它将北美大陆的夜晚化成了白昼，人们可以在红色和绿色的极光下阅读报纸，而美国洛基山脉里的矿工则误以为已经日出在凌晨1点便起床吃早饭。即便在黎明后，当极光已经不再可见，地球磁场中的扰动仍强得使磁强计的读数超出了量程。全球的电报网都因出现了重大的故障而瘫痪，一些电报在差不多8个小时的时间里完全无法使用。在一些地方，操作员把电池从电报网上断开后仅用由极光诱导产生的电流就能发送电报。　　1859年人类刚刚开始形成对高技术系统的依赖。电报是那时的技术奇迹。当时各大洲没有纵横交错的高压电线，没有灵敏的卫星围绕着地球转动，当然也不依赖即时通讯和对地球表面的遥感。如果太阳风暴发生在当今世界将会发生些什么？　　1989年3月13日在加拿大魁北克省太阳风暴使得有600万人在没有电力的情况下在严寒中渡过了9个小时。2000年7月14日日本的宇宙学和天体物理高新卫星就在太阳风暴中失去能源并且姿态失控，几个月后便坠入了大气层。　　而出现在2003年10月31日的太阳风暴让也许造就了历史上最非比寻常的的一个万圣节。它使得全球范围内的通讯受到干扰，海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断，全球定位系统的精度降低。穿越高纬度地区的航班不得不启用了备用通讯系统，许多航班改变航线、降低高度导致航线拥挤，光多消耗的燃油就使得全球民航业损失了数百万美元。瑞典有5万人的电力供应中断。日本的一颗气象卫星与地面失去了联系，美国宇航局的半数卫星出现故障。国际空间站上的机械臂被关闭，两名宇航员紧急转移至了防护效果最好的生活舱。掀起太阳风暴的盖头来　　1859年的极光是两次强地磁暴的具体表现。1859年9月1日，在第二次太阳爆发开始前1天，英国业余天文学家卡林顿看到了日面中心附近一个大型黑子群中出现的“两片极为明亮的白光”（太阳耀斑），这一爆发持续了5分钟。卡林顿注意到，太阳爆发之后几天便出现了地磁暴，但他没有推测两者之间的因果关系。　　同时代的美国天文学家柯克伍德则认识到1859年8月28日和9月4日的耀眼极光、地磁场扰动和电报故障都是“太阳黑子和地球磁场间神秘关系”的壮观体现。一些科学家根据长期观测到的地球磁场和太阳黑子的对应变化关系在19世纪50年代初便提出了这一关系。　　虽然太阳、地磁和极光之间的关系早在1859年就已经被注意到了，但这一关联的本质却尚未为人知晓。直到进入20世纪科学家们才完全认识到了它们的重要性。仅仅从那时起构成“空间天气”现象的完整图景才开始浮现。　　20世纪70年代日冕物质抛射的发现使得事情出现了突破。科学家们意识到并非是爆发的耀斑而是日冕物质抛射造成了地磁暴。太阳耀斑是从太阳可见表面突然喷发出的剧烈高能辐射，会产生X射线、射电辐射和高能粒子爆发。与之形成对比的是，日冕物质抛射是从日冕喷射出的巨量等离子体和磁场。它们包含了100亿吨或者更多的日冕气体，运动速度可以高达每秒3,000千米。将其转换成动能的话，相当于差不多100亿吨TNT炸药。　　耀斑和日冕物质抛射通常在太阳活动极大期时最频发，是太阳磁场中储存能量释放的结果。日冕物质抛射和耀斑可以彼此独立地发生，但它们一般都是可以导致大型地磁暴的空间天气事件的开端。为了驱动一场磁暴，日冕物质抛射必须位于会对地球磁场造成影响的轨迹上、速度快（至少每秒1,000千米）、质量大（因此具有极大的动能）且具有和地球磁场极性相反的强磁场。　　始于1859年9月2日的磁暴并不是由卡林顿在前一天上午观测到的强白光耀斑造成的。相反，它是产生这个耀斑的同一片巨型黑子区上方出现的快速日冕物质抛射所导致的。这个日冕物质抛射撕扯出了周围大量的日冕物质，并把它们朝着地球的方向抛射入了太空。　　知道了太阳风暴的产生机制，下一个最直接的问题就是如何预警？望洋兴叹的预报　　事实上，现在的空间天气预报就像是上个世纪60年代的天气预报。可以进行有用的短期预报，但是对长期预测却束手无策。　　其中一个重要的原因是缺少观测数据。以前空间天气预报员仅使用地面上的望远镜来观测太阳黑子、耀斑以及其他可能引发太阳风暴的活动。但是他们在地球和太阳之间没有能用来监测来袭太阳风暴的空间观测站。这就像是只利用上海气象站的观测数据来预报乌鲁木齐的天气一样。　　1995年太阳和日球层探测器被发射升空用于监视来犯的太阳风暴。2003年10月发生了一次日冕物质抛射，它在其影响地球前几个小时发出了预警，这使得很多卫星及时关闭电源减少了损失。　　通常科学家可以在太阳风暴抵达前20-60分钟发出了警报，但是这些警报还远没有达到让人满意的程度。据分析，有三分之一的大型太阳风暴被漏报，而另有四分之一则是假警报。能造成极端严重后果的太阳风暴是非常罕见的，因此很难说从目前的预报中所积累的经验到关键时刻是不是能发挥作用。当风暴来袭时　　虽然1859年的太阳风暴是小概率事件，鉴于当时的技术水平，其社会影响也仅限于电报系统的故障、电报公司的损失以及与之有关的商业和铁路交通的连带效应。　　但发生在今天，其后果就会完全不同。现代社会严重依赖多种极易受太阳风暴影响的技术。我们已经把地球的表面、海洋、大气和近地空间编织进了一张由相互依存的技术构成的大网。击垮其中诸如电力这样的一个关键环节就会波及整个社会，就像一排倒下的多米诺骨牌，引发短期和长期的混乱。　　电力是我们社会的支柱技术，几乎每样东西都依赖它。太阳风暴在输电线路中诱导产生的电流可以摧毁现代电网和变压器。虽然由极端空间天气事件导致大范围停电的短期概率可能较低，但其后果却极为严重——它的影响会蔓延至我们依赖的其他系统，就像是空间天气中的卡特里娜飓风。　　1989年加拿大魁北克电网断电进而迫使美国东北部供电中断，这是恶劣空间天气对电力业影响的经典案例。根据深入的研究，如果类似1921年5月的太阳风暴在今天出现的话，单单在美国就会造成超过1.3亿人的供电中断并且会使得超过350个超高压变压器面临永久损坏的风险。由于美国和全世界其他国家生产超高压变压器的能力有限，加之电力公司会竞相购买和更换受损的硬件，因此大范围的地区可能会在没有供电的情况下度过数月甚至数年的时间。　　长时间的停电会中断运输、通讯、银行、医疗、金融系统以及政府服务。饮用水供给系统会因为水泵失灵而瘫痪，无法制冷还会使我们无法保存易变质的食物和药物。即便只是某个地区在几周、几个月或者几年的时间里出现了这一情况，它也会对该地区所在的国家和整个世界产生巨大的影响。技术时代的未来　　通过完善认识和技术，人们正在想方设法应对太阳风暴的威胁。通过密切关注空间天气预报中心的地磁暴紧急警报和实时监测异常电流，电网操控人员就能采取防御措施。例如，他们可以暂时把电流从电网中受影响最严重的部分转移开以此来保护整个电网，抵御地磁场诱导产生的电流。　　如果收到1859年级别地磁暴来袭的警报，控制人员可以关闭一些超高压变压器来避免烧毁。但是这会把危险的电流集中到其余的变压器中。毕竟，没有人有权力关闭整个的电网。但如果有人这么做了，由此引发的大范围停电就会导致数百亿美元的损失，而这最终却有可能会是假警报。因此，增强电网对太阳风暴的抵抗力会比简单地被迫拉电更实际得多。　　对于其他行业来说，空间机构可以推迟发射，卫星控制人员可以延后关键的操作。宇航业已经把卫星设计成能够在极端条件下工作的。通过增加两个新导航信号和编码，全球定位系统的现代化也会有助于减小空间天气的影响。　　不过，在恶劣的空间天气面前，人类的命运究竟会如何？回答问题还牵涉到大量的不同领域以及我们在认识上仍有待弥补的巨大裂隙。很难彻底了解1859年级别的太阳风暴发生在今天会造成什么样的损失。但毋庸置疑的是，我们需要为这一微小的可能性做更好的准备。

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