太陽風暴:科學版的《2012》

王家敏

雖然隨著災(zāi)難電影而橫掃全球的“末世情緒”不大可能在科學界得到印證,但科學家們對下一個太陽活動峰年的到來卻充滿警惕。

強烈的太陽風暴并非地震與海嘯等自然災(zāi)害的主要誘因,但它對航天、通訊、電力等人類的高科技活動卻會造成嚴重影響

美國國家科學院和美國宇航局(NASA)今年初鄭重預(yù)警了2012～2014年太陽風暴將帶來的影響。科學家們擔憂,太陽的這一次猛然“蘇醒”,或?qū)⒔o人類帶來難以估量的麻煩。

“末世電影”又可以借此展開聯(lián)想了:地磁偏移、火山爆發(fā)、強烈地震,甚至是人類滅亡。而不同的是,科學家們普遍認為,強烈的太陽風暴并非地震與海嘯等自然災(zāi)害的主要誘因。

“實際上,太陽風暴的影響更多集中在人類的高科技活動上,諸如在航天、通訊、電力等領(lǐng)域。”國際宇航科學院院士、北京大學地球與空間科學學院教授肖佐說,“人類還沒有因太陽風暴而遭受過毀滅性的打擊,但誰也不知道繼續(xù)下去,將來會發(fā)生什么。”

從“卡林頓”到“曼哈頓”?

科學家們開始不厭其煩地回顧1859年9月1日的“卡林頓太陽風暴事件”,這是現(xiàn)有記錄數(shù)據(jù)中最為強烈的一次,但他們并不能確定,強度超過“卡林頓”的太陽風暴將在何時出現(xiàn)。肖佐說,“無論如何,太陽風暴對人類影響將越來越大,因為人類的科技活動越來越多。”

在“卡林頓事件”中,英國格林尼治天文臺和基烏天文臺都測量到了地磁場強度的劇烈變動;隨后,全球電報系統(tǒng)崩潰,各地電報局的操作員報告說“電報機器在閃火花,甚至電線也熔化了”。

科學家們調(diào)查發(fā)現(xiàn),太陽在黑子活動的高峰期多產(chǎn)生大耀斑爆發(fā),產(chǎn)生的X射線、紫外等電磁輻射流量突然增加千萬倍,太陽高能帶電粒子的流量也將成千萬倍地增加,百萬度高溫的日冕等離子體物質(zhì)會以每秒上千公里的速度拋出,這就是人們常說的太陽風暴。這是太陽因能量的增加而使得自身活動加強,從而向廣袤的空間釋放大量帶電粒子所形成的高速等離子流。太陽風暴平均每隔11年就會進入一個活躍期,距離太陽1.5億萬公里的地球也將受到影響。

歷史上,這類情況對人類活動并沒有太大影響。因為地球比大多數(shù)行星的防護都要好,擁有大氣層以及全球性的磁場,可以盡量阻擋太陽風暴的影響。但是到了20世紀,人們發(fā)現(xiàn)太陽風暴引發(fā)的磁暴會影響無線電接收,各種電磁、電力設(shè)備也會受到影響。

如今,地球已經(jīng)布滿有線和無線設(shè)備,高技術(shù)系統(tǒng)規(guī)模越來越大,人類生活對這些系統(tǒng)的依賴程度也越來越高,同時,這些系統(tǒng)對于周圍環(huán)境的變化也越來越敏感。現(xiàn)代生活方式以及所依賴的科學技術(shù)在悄然地把人類推向特殊的危險境地:太陽風暴帶來的等離子球?qū)⒋輾祟惖碾娏ο到y(tǒng),并造成災(zāi)難性的后果。

由于發(fā)達國家密集的電網(wǎng)系統(tǒng)更容易受到太陽風暴的攻擊,因而這些國家也顯得更為擔憂。今年6月,英國《新科學家》雜志“預(yù)測”了最糟糕的結(jié)果,他們根據(jù)美國國家科學院的一份特殊報告,對太陽風暴的來襲進行了驚心動魄的描述:

2012年9月22日午夜,美國紐約曼哈頓上空將布滿一道五彩斑斕的光幕,像紐約這樣的地區(qū),很少有人會看到如此迷人的類極光現(xiàn)象。幾秒鐘之后,該地區(qū)所有的燈泡開始變得昏暗并閃爍不定,緊接著燈泡在瞬間變得明亮,之后就完全熄滅了。極光出現(xiàn)90秒以后,美國東部一半的地區(qū)將陷入停電危機。

這90秒內(nèi),太陽風暴誘導(dǎo)產(chǎn)生的地面電流,已經(jīng)毀壞了美國300個關(guān)鍵的變壓器,切斷了至少1.3億居民的電力系統(tǒng)。人們出現(xiàn)的第一個困難就是飲用水問題,飲水泵斷電,那些生活在高層建筑的居民,不久便會中斷飲用水來源。

電力系統(tǒng)中斷只是開始,同時飛機運輸陷入困境,鐵路運輸中斷,地鐵運營停止,加油站也無法從地下儲油罐中抽吸燃油。沒有運輸與補給,超市中日常的生活用品也會消耗得很快。電力中斷,食品、藥物甚至是核燃料都難以得到有效保存。對于醫(yī)院而言,失去電力和飲用水,衛(wèi)生保健和醫(yī)療搶救則無法進行。

……

2012或2013?

如此悲慘的災(zāi)難聽起來有些荒謬,但支撐這一場景描述的,卻是美國國家科學院《惡劣空間天氣事件報告》(SEVERE SPACE WEATHER EVENTS)。這份發(fā)布于今年1月的報告,用八個章節(jié)論證了“太陽風暴危機”及其應(yīng)對方案。

負責起草報告的科羅拉多州立大學太空氣候?qū)＜业つ釥枴へ惪?Daniel Baker)說,“我們正在離可能出現(xiàn)災(zāi)難的邊緣越來越近。有時太陽風暴會攜帶著數(shù)十億噸的等離子球,如果大量的等離子球影響地球磁場,將釀成毀滅性的災(zāi)難。令人擔憂的是,我們無法提前準確預(yù)測太陽風暴的時間和強度,我們能預(yù)測的只是,一旦大型太陽風暴來襲,人類根本無力應(yīng)對。”

6月16日,美國宇航局提出新的警告稱,2013年地球可能遭遇強烈的太陽風暴。這一時間晚于“2012年9月”的原因在于,觀測結(jié)果顯示,太陽活動周期的過渡時間延長了,在這段延長的時間里,太陽或許正在積蓄能量。

“人們最迫切關(guān)心的是照明、供水、交通與醫(yī)療系統(tǒng),但實際上,這些影響已經(jīng)處于整個事件的最末端。” 中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心主任王勁松告訴《中國新聞周刊》,“如果我們對太陽風暴發(fā)生的階段一無所知,顯然,我們就必須承受災(zāi)難。”

據(jù)介紹,在太陽風暴爆發(fā)第一階段的8.3秒內(nèi),大量耀斑X射線侵入地球大氣電離層,使D層電離度突然增加,引發(fā)短波衰減,甚至中斷。全球中、短波通訊,衛(wèi)星和地面之間的無線電信息和數(shù)據(jù)傳播都依靠電離層實現(xiàn),一切地面和空中的雷達、導(dǎo)航和定位系統(tǒng)也無可避免的依賴電磁波。因此,電波傳播的影響將涉及所有現(xiàn)代信息系統(tǒng)。

王勁松說,“第二階段,首當其沖的是衛(wèi)星系統(tǒng)。航天器的電池陣可能被擊穿;大量電子穿透屏蔽層,當電場超過介質(zhì)的擊穿閾值時,則可能造成某些部件的永久性損壞。”

在1997年1月6日的太陽風暴事件中,美國AT&T公司一顆價值2億美元、設(shè)計使用壽命為12年的同步軌道通訊衛(wèi)星(Telstar 401)失效,僅服務(wù)3年就“報銷”了。

2003年10月底開始的一系列較大太陽活動引發(fā)了多國衛(wèi)星故障或數(shù)據(jù)丟失,共有25顆衛(wèi)星需要地面干預(yù)。

令人擔憂的情形也在最近出現(xiàn),今年4月,Intelsat公司的“銀河15號”通訊衛(wèi)星與地面失去聯(lián)系。衛(wèi)星制造商、美國弗吉尼亞的軌道科學公司說,該衛(wèi)星脫離軌道的原因可能是4月初一場強烈的太陽風暴。

緊接著的是第三階段,帶電等離子和大量氣態(tài)物質(zhì)以超過2000km/s的速度襲往地球,它們將在十幾小時到數(shù)天內(nèi)抵達地面。等離子進入地球大氣層將導(dǎo)致地球磁場結(jié)構(gòu)的快速改變,誘導(dǎo)較長電線的交流電網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生直流電。現(xiàn)代的電力網(wǎng)絡(luò)都是以更高的電壓覆蓋更廣的地區(qū),較高功率的電網(wǎng)將變成一個非常有效的天線,引導(dǎo)巨大的直流電通向變壓器,其結(jié)果是導(dǎo)致變壓器的銅線快速加熱并被融化,電流將失去控制,并最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰,并由此推動多米諾骨牌效應(yīng),影響供水、物流、醫(yī)療、金融、國防等諸多系統(tǒng)。

科學家們意識到,如果“卡林頓事件”再次上演的話,將引發(fā)世界上前所未有的災(zāi)難性事件,破壞力甚至超過媒體的描述。

但華北電力大學電氣與電子工程學院教授劉連光則認為,太陽風暴產(chǎn)生的磁暴對高緯度地區(qū)(加拿大、北歐等地區(qū))的供電系統(tǒng)影響大,可能產(chǎn)生致使供電系統(tǒng)癱瘓這樣極端惡劣的破壞,但對處于中低緯度的中國而言,磁暴的影響可以說沒有那么嚴重。

為了12小時的提前準備

顯然,人類的科技再發(fā)達也無法改變太陽的“發(fā)作”;另一方面,越來越依賴現(xiàn)代科技的生存方式也是人類文明無法逆轉(zhuǎn)的方向。面對太陽風暴的來襲,人類只好想法設(shè)法與其“周旋”。

除了電力系統(tǒng)開始準備預(yù)案外,航天工程師們也希望他們的設(shè)計能經(jīng)受極端空間天氣事件的影響。中國東方紅航天衛(wèi)星公司總工程師張永維對《中國新聞周刊》說,“中國從設(shè)計第一顆衛(wèi)星開始,就考慮了空間環(huán)境的影響,技術(shù)也在不斷進步。如果遭遇強烈太陽風暴,提前關(guān)閉衛(wèi)星信號,也能在一定程度上減輕損害。”

“空間天氣預(yù)報將會是專業(yè)部門的重要安全保障,”王勁松說,“如果我們盡早觀測并預(yù)警,就將爭取到十幾個小時的準備時間,提前進入緊急狀態(tài)。”

當空間天氣預(yù)警發(fā)布后,地面上就可以選擇關(guān)閉正在執(zhí)行任務(wù)的衛(wèi)星的電子信號,或者提前進行衛(wèi)星轉(zhuǎn)軌;整裝待發(fā)的衛(wèi)星可以改期發(fā)射;宇航員可以錯開太空行走的時間,以將影響降到最低;能源公司則能及時關(guān)閉電力系統(tǒng),及時出臺針對大規(guī)模停電的應(yīng)急計劃。

在過去十年里,全球預(yù)報系統(tǒng)的上游監(jiān)測數(shù)據(jù)主要依賴于美國的ACE、SOHO等衛(wèi)星。它們處于地球與太陽引力的平衡點、距地球約150萬公里的L1點上,這是一個極佳的位置,能24小時監(jiān)測太陽。但在美國國家科學院2008年的討論會中,許多與會者指出,“ACE探測器正在失效。”

今年2月11日,美國航天局發(fā)射了新的觀測衛(wèi)星。這顆名為“太陽動力學觀測臺”(SOLAR DYNAMICS OBSERVATORY)的衛(wèi)星從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空,進入距離地表約3.6萬公里的地球同步軌道。

中國計劃在2012年之前啟動“空間風暴、極光和空間天氣”探測計劃,這一計劃根據(jù)中國“夸父追日”的古老神話而被命名為——“夸父計劃”。如果按期實施,它將是世界上唯一的系統(tǒng)性的日地空間探測計劃。 ★