刘 仁 宇
（武汉大学附属中学高三３班 湖北 武汉 ４３００７４）
摘 要：太阳作为地球的能量之源提供了地球９９％以上的能源。文章简单介绍了太阳对地球的能量传输，包括太阳电磁辐射和太阳风，阐述了太阳风暴的概念、形成和表现形式以及太阳活动周期，并简要分析了超级太阳风暴可能出现的条件。介绍了太阳风暴引起的地球空间环境的变化及其对人类生活造成的影响，回顾了近３０年较大的几次太阳风暴对人类生活造成的显著灾害；最后介绍了人类对太阳风暴的监测和预警现状。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：太阳风暴；地球空间环境；地磁暴；太阳风；灾害性空间天气；太阳活动周期
中图分类号：N91 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．03．０37
１ 背景
２００９年，美国国家科学院在一份特别报告中警告称，新一轮太阳活跃期即将到来，并将在２０１２年达到顶峰，届时地球可能面临超级太阳风暴的袭击。
如果超级太阳风暴来袭，地球空间环境和人类生活将会受到什么影响？美国国家地理杂志的一个科教短片《太阳风暴》非常生动地回答了这个问题。短片开头这样描述：“在外太空有一种武器威力比原子弹强１亿倍，一次攻击就能让地球上的一块大陆陷入黑暗，瞬间从太空时代退回石器时代。这种攻击并非来自人类武器，而是来自于太阳。”片中描述了１９８９年３月太阳风暴给人类活动带来的一些灾害。１９８９年３月发生了近代科学史上罕有的超级太阳风暴。在此期间，由于高层大气加热、膨胀使卫星高度的大气阻力增加，使“太阳峰年卫星”提前陨落、大量飞行物轨道改变，造成新发射飞行物的跟踪辨认困难；美国民用、军用极轨低高度气象卫星无法释放因磁场异常变化所积累的力矩，而影响姿态。对地静止通信卫星为维持其正常姿态，两天内所耗的燃料相当于正常运行一年的用量；这期间因电离层扰动，低纬度无线电通讯几乎完全失效，轮船、飞机导航系统失灵，海军的卫星高频通讯网络在全球范围发生中断；高能粒子流量这期间的突然增加，致使日本同步气象卫星指令系统一半失效或永久损坏，宇航员眼睛的视网膜受到高能粒子轰击而闪光；加拿大魁北克省输电系统因强大的感应电流烧毁了主变压器而引起电网损坏，６００万居民停电９h之久，损失功率近２００亿瓦，直接经济损失达５亿美元。在这个太阳活动高峰期里，高能粒子造成我国“风云二号Ｂ”气象卫星于１９９０年提前报废。这次空间灾害性天气事件，给众多国家的空间、地面技术系统造成了巨大损失，使政府有关部门和日地物理学家、卫星工程技术专家认识到，人类社会发展所面临的空间灾害的严重性。
２ 太阳风暴的概念及形成
２．１ 日地能量传输
对于地球而言，太阳是我们的能量之源，地球诞生以来所消耗的能源９９％以上都来自于太阳。太阳的能量之大是我们无法想象的，在《太阳风暴》短片中讲到，太阳的能量来自其内部的核聚变反应，这种反应每秒产生的能量比地球诞生以来所消耗的所有能量还多。日常生活中，我们首先感受到的太阳能量就是阳光的照射。由于阳光对地球的直射点在南北回归线之间移动造成地球上的冬夏交替，让我们感受到冬天的寒冷和夏天的炎热。武汉的夏日，烈日当空，站在大太阳下不动都浑身冒汗，但如果能躲进树荫立刻倍感凉爽。武汉的冬天则是天寒地冻，身上裹得像个粽子也抵不住阵阵寒意，但如果能阳光下晒上几分钟，立刻觉得浑身舒坦。仅仅由于阳光对地球直射点的少许变化就造成四季温度的巨大差异，太阳的威力可见一斑。此外，由于阳光对大气的加热在不同季节和不同纬度都不相同，还会造成地球高层大气的全球尺度环流。实际上，阳光除了对地球提供热能，还能造成高层大气的电离进而形成导电层，而正是地球上空的导电层让人类的远程无线电通信成为现实。当然，造成大气电离的阳光并非我们熟悉的可见光，而是远紫外波段和Ｘ射线波段的太阳光辐射。
我们知道，光其实是一种电磁波，太阳可见光和其他波段的光辐射统称为太阳电磁辐射。太阳在以电磁辐射的形式向地球提供能量的同时，还以另一种形式也在向地球源源不断地提供能量，前文所说的太阳风暴对地球的袭击正是来自后一种形式的巨大能量。
２．２ 太阳风暴的形成原因
２．２．１ 太阳风
大约１００年前，人们发现每次太阳出现大耀斑之后２~３天，地磁场就会发生显著变化，这使人们想到太阳耀斑可能伴随着太阳粒子发射，由于太阳和地球相距大约１亿５千万公里， ２~３天的滞后时间表明这种粒子发射的运行速度约为１ ０００km／s，也就是数百万km／h。经过几十年的探索和研究，科学家们终于发现太阳上的这种粒子发射是连续不断的，我们称之为“太阳风”。与地球上我们熟知的风大不相同，太阳风是太阳大气不断向外喷发的带电粒子流，典型速度大约４００km／s，也就是１４４万km／h，最高速度超过５００万km／h，而地球上最强的台风速度才几百km／h。太阳每时每刻都在以这种“风”的形式向地球输入能量，但这种能量输入主要发生在极区，然后通过在地球空间的能量释放过程造成全球性的影响，而太阳电磁辐射在向阳面所有纬度都有能量输入。太阳活动平静期，太阳风对地球的能量输入与电磁辐射的能量输入大致相当，但在太阳活动活跃期，太阳风携带的物质和能量显著增强。
２．２．２ 太阳风暴的表现形式
通俗地说，太阳风暴就是太阳表面的大爆炸，大爆炸首先表现为太阳耀斑。一次太阳耀斑爆发的能量可以提供美国数千年电力。耀斑产生增强的电磁辐射，９min就可以到达地球，引起低层大气电离增强和强烈的无线电波吸收，进而导致整个向阳面的的无线电通信中断。１~２h之后，高能粒子到达地球，对太空中的宇航员带来致命伤害，卫星的许多电子器件和太阳能电池板也会造成毁灭性破坏。
太阳耀斑能量惊人，却还并非造成１９８９年３月魁北克大停电的元凶，而只是一场惊人破坏的第一阶段，耀斑就好比开枪后的闪光，造成破坏的是随即而至的子弹，也就是跟随在耀斑之后的日冕物质抛射。一次日冕物质抛射可以携带数十亿t的物质并加速到数百万km／h，其２h内的能量可以提供美国１０万年的电力。日冕物质抛射也可以看成是显著增强的太阳风，它向地球输送的大量物质和能量引起地球空间环境的巨大变化，进而对人类活动造成不可估量的灾害，我们称之为地磁暴。地磁暴可以导致强大的地面感应电流，足以摧毁人类的任何大型地面电网，还会造成输油管道的破坏，导致大面积供电中断和石油泄漏，所幸这种强大的地面感应电流只在局部出现，但太阳风暴越强，其可能出现的区域也越广。地磁暴还会强烈改变高层大气的电离属性，造成卫星导航以及飞机或舰船的导航信息达到几公里的误差，甚至造成导航和通信链路的中断。地磁暴造成低层大气加热上升导致卫星轨道高度的大气密度增加，卫星运行阻力增大而掉落失踪，甚至坠毁。１９７９年７月磁暴期间，美国宇航局的太空实验室就因空气阻力增大逐渐脱离轨道，最终坠落坠毁在印度洋和西澳大利亚上空。
３ 太阳风暴对人类生活的影响
３．１ 以往太阳风暴对人类生活造成的显著灾害
过去２５年里，已有多次太阳风暴对人类活动造成显著灾害性影响。１９９１年４月的强磁暴造成美国缅因州核电厂发生灾难性破坏；１９９７年１月的太阳爆发事件使美国ＡＴ＆Ｔ公司一颗价值２亿美元，设计使用寿命１２年的同步轨道通讯卫星仅服务３年就提前报废，损失高达７亿美元；１９９８年５月的多次太阳爆发事件导致美国银河四号通讯卫星失效和一颗德国科学卫星报废，无数的通信中断造成金融交易陷入混乱；２０００年７月１４日欧美的ＧＯＥＳ、ＡＣＥ、ＳＯＨＯ、ＷＩＮＤ等重要科学研究卫星受到严重损害，如美欧合作耗资２０亿美元的ＳＯＨＯ太阳科学卫星的探测器减寿一年，日本的 ＡＳＣＡ卫星失控，ＡＫＥＢＯＮＯ卫星的计算机遭到破坏；２００３年１０月底至１月初的太阳爆发事件产生广泛的影响：瑞典的Ｓｙｄｋｒａｆｔ电力集团报道，北欧上空强烈的地磁诱导电流引起了变压器事故，导致一套系统崩溃及电力供应中断。航空公司在其高纬度航线中采取了从没有过的飞行方式来避开高辐射能级和通信中断区域。航程变更给航空公司的每次飞行增加了１０ ０００~１００ ０００美元的开支。该太阳风暴被怀疑是导致价值６４０ ０００ ０００美元的ＡＤＥＯＳ－２飞行器损毁。由于此次太阳爆发的高强度和变化性，绝大多数易受空间天气攻击的工业部门在运行过程中都经受了某种程度的影响。
１９８９年３月的太阳风暴虽然是迄今为止对人类活动造成破坏最严重的灾害性空间天气事件，但还并非史上最强的太阳风暴。１８５９年９月１日早晨，英国天文学家理查德·卡林顿用装着过滤器的望远镜观测太阳表面时，他发现太阳表面喷射出了一道明亮的闪光。然而卡林顿不知道的是，那团明亮的斑点是一团带着电荷的等离子云，它正朝着地球的方向疾速飞来。４８小时后，“超级太阳风暴”就袭击了地球，导致热带地区的夜空都能看到极光，这些极光是如此明亮，以至于人们在午夜时分不用点灯都能阅读报纸。“超级太阳风暴”导致当时的许多电报机都瘫痪。这次太阳风暴是有记录以来强度最大的一次，如果用参数来衡量，它所造成的地磁暴强度达到１９８９年３月地磁暴的３倍。不过在１８５９年，世界主要还依靠蒸汽机和肌肉劳力在运转，所以当年的“超级太阳风暴”并没有给人类带来过于严重的灾难。
３．２ 太阳风暴对当今人类生活的影响
时至今日，人类生活变得越来越复杂，更拥有前所未有的先进科技，但科技给人类带来的方便和自由在太阳风暴来袭时恰恰成为我们的弱点。如果再发生一次和１８５９年同样级别的太阳风暴，虽然生命不会受到威胁，但地球上所有依赖电力的设施和系统都可能受到毁灭性打击。回到本文的开始，美国科学院预计的超强太阳风暴在２０１２年并未出现，这种预计的依据是什么？要回答这个问题，我们首先需要了解太阳活动的特点。科学家们发现，太阳活动呈现１１年的周期，大约每１１年达到一次太阳活动峰值，在太阳活动峰年期间容易发生强太阳风暴。这种太阳活动周期的另一个特点是如果前一个太阳活动周的下降期特别长，下一个太阳活动周的上升期可能特别短，可能达到的峰值也异常大。１８５９年的超级太阳风暴正是发生在这种情况。２００９年也是类似，上一个太阳活动周的下降期按趋势应该在２００７－２００８年结束，并开始新一轮活动周的上升期，但直到２００９年，新一轮太阳活动仍未有上升的迹象，这与１８５９年前后的太阳活动特征很相似，因此科学家们警告在新一轮太阳活动峰年，也就是２０１２年可能发生前所未有的超级太阳风暴。
４ 结语
虽然２０１２年预言并未成真，人类这次躲过一劫，但在不久的将来是否会出现和１８５９年同样级别甚至更强的太阳风暴呢？如果真的来袭，人类又该如何应对呢？专家指出，要应对太阳风暴，首先需要提高对太阳活动的预报能力，其次需要了解太阳风暴可能给地球带来的影响。近３０年来，越来越多的天文望远镜和成像仪等高科技观测设备被用于太阳表面的监测和研究，人们对太阳耀斑、日冕物质抛射等太阳活动特征的了解日益深入，对太阳爆发事件的预测能力越来越强，但由于缺乏对太阳内部物理过程的观测，太阳活动的物理本质仍然难以深入理解。另一方面，人类对地球空间环境的认识也日益完善，但仍有很多现象难以解释其物理本质。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
１ 王劲松，焦维新．空间天气灾害[M].北京：气象出版社，２００９
２ 徐文耀．日地环境指南[M].北京：科学出版社，２０１０
（责任编辑 梁 工）