不是電影:2013地球很麻煩

邵樂韻 吳曉琳

美國宇航局(NASA)警告,2013年地球可能遭遇強烈的太陽風暴,到時候全球將陷入大停電,網絡電子通訊將全部癱瘓。

地表溫度越來越高。城市里四處冒煙、起火,紐約上空閃耀的極光仿佛末日的信號。慌亂的人們四處逃散,電視畫面時斷時有,在“全球危機”的新聞標題下,主持人再三呼吁人們躲到地下庇難……

霎時間,太陽風暴掀起的巨大熱浪橫掃一切生命和建筑,地球陷入一片火海……好萊塢電影《先知》用這樣的視覺沖擊“終結”了地球人的命運。

這幾年,末日災難片連連引發恐慌。人類有因氣候變暖而“被凍死”的,如《后天》;有因地球磁場顛倒而“被淹死”的,如《2012》;也有超強太陽風暴來襲而“被燒死”的,如《先知》。

當“2012”成為口頭禪,2013似乎成為一個新的時間“劫點”——美國宇航局(NASA)警告,2013年地球可能遭遇強烈的太陽風暴,到時候全球將陷入大停電,網絡電子通訊將全部癱瘓。如果惡夢成真,人類生活將發生歷史性的大倒退——當然,像《先知》這樣的末日說,按照中科院地質和地球物理所研究員萬衛星的說法,情節“過于荒誕”。

太陽風暴到底多可怕?人類有沒有辦法進行預測和防范?我國的觀日研究處于什么水平?記者就此電話采訪了國家重點基礎研究發展規劃項目(“973”項目)“日地空間災害性天氣的發生、發展和預報研究”首席科學家、國家天文臺研究員汪景琇。

太陽“打噴嚏”

太陽黑子是發生在太陽光球層的一種最基本、最明顯的太陽活動。我國西漢的《淮南子》中曾記載“日中有踆烏”,觀天象者所看到的“三足烏鴉”,其實就是太陽黑子。又有《漢書?五行志》記載:“河平元年,三月己未,日出黃,有黑氣,大如錢,居日中。”被認為是世界上最早的有關太陽黑子的記錄。太陽磁力線隨著太陽的自轉而糾纏“打結”,在11年左右的太陽活動周期里,這些磁力線形成為黑子,它們通常比地球大好幾倍,能持續數月之久,在太陽黑子周期最高點蓄勢待發。

太陽耀斑是太陽色球層的光亮噴發,又叫色球爆發。它是太陽活動中最為劇烈的現象之一,位置在譜斑或光斑附近,且常在黑子群周圍。通常,太陽耀斑、日珥爆發、日冕物質拋射等劇烈太陽活動被俗稱為“太陽風暴”,科學家形象地稱之為太陽“打噴嚏”。

今年6月,在NASA任職20年的太陽物理學部門主管理查德?費希爾(RichardFisher)接受英國媒體采訪時說,太陽的磁能每22年會達到高峰,而太陽黑子的數量或耀斑每11年會達到最高值,這兩種情況會在2013年同時發生。費希爾形容,一旦出現超級太陽風暴,“對美國而言,可能造成比卡特里娜颶風嚴重20倍的經濟損失。”

太陽風暴發生時會向周圍空間輸出三種影響:電磁輻射直接影響地球向日面的大氣層和電離層,對短波通訊造成干擾;耀斑爆發噴射出的大量高能粒子,會嚴重危及宇宙飛行器內的宇航員和儀器的安全;日冕物質拋射,則會引起地球強烈的磁場變化,即磁暴,屆時地表電網可能過熱,航空運輸可能中斷,而電子設施、導航裝置和主要的衛星可能失去功能。

歷史記錄中,1859年史稱“卡林頓事件”的太陽風暴就是“超級”規模的——太陽表面出現肉眼可見的白光耀斑,并且伴有劇烈的日冕物質拋射。強烈的地磁效應使得剛剛形成的電報網絡陷入癱瘓,甚至出現了電報員觸電、電報紙自燃的情況。

當時世界主要依靠蒸汽機和肌肉勞力運轉,人們對高技術的依賴遠不如今天,供電網絡沒有現在這么密集、規模沒有這么大,天上也沒有衛星。20世紀至今最強烈的太陽風暴出現在1989年3月,曾使加拿大魁北克省停電9個小時,即便如此,它的強度也只是1859年的1/4左右。

社會發達程度越高,太陽風暴造成的影響也就越大。“卡林頓事件”如果發生在當下,后果不堪設想。科學家的警告,并非危言聳聽。

從上世紀90年代中開始,美國就制定了國家空間天氣戰略計劃。NASA在2006——2016戰略計劃中特別指出,“空間天氣對人類的危害越來越明顯,因此認識并降低空間天氣對人類的危害效應迫在眉睫”。

2009年,美國科學家就太陽風暴的經濟和社會影響,向國家科學院遞交了一份報告,以提高人們對太陽風暴危害的認識,并倡議政府和私人企業為應對強烈太陽風暴做好準備。

“美國科學家在這方面比較敏銳,他們在評估如果出現1859年這樣的太陽風暴會有什么樣的后果。這不是寫科幻故事,而是相對嚴謹的科學報告。”汪景琇介紹說,在我國,目前中國科學院國家天文臺有一支研究太陽預報的團隊,中國科學院空間科學和應用中心有空間天氣的研究和預報中心,中國氣象局有國家空間天氣監測預警中心,國防部門也有相應的研究工作在進行。

現在通過天文觀測手段已經能夠實現提前3——7天預警,但是預測中長期太陽風暴以及太陽風暴的強度等,還是個世界性的難題。“正因為超級太陽風暴的形成具有很強的突發性和偶然性,所以空基和地基監測必須是穩定可靠和持續不斷的。”

到目前為止,人類對太陽黑子數量較為完整的記錄積累了23個周期。汪景琇說,現在大多數科學家預測第24個太陽活動周極大期出現在2013年,至于會不會出現“超強太陽風暴”,仍然無法可靠地預報;即使到了太陽周極大年,還要看相關太陽活動是不是對地影響有效(每個太陽活動周期間都會發生數十次強太陽風暴,多數沒有直接撞擊到地球而已,超級太陽風暴更屬于低概率事件),其危害如何,還需要具體討論和評估。

但即便超級太陽風暴來襲,也并非意味著世界末日來臨。普通民眾對太陽風暴的恐懼,主要是災難片所引發的臆想。

雖然太陽風暴爆發時發生的紫外線和X-射線強度可以達到平靜時的數十倍甚至數百倍,并拋射出大量的高能帶電粒子,但地球是個完美的系統,其熔融核心、自轉產生的隱形磁場,能夠很好地屏蔽掉大部分高能帶電粒子;而且地球稠密的大氣層能夠吸收大部分的紫外線和X射線,使我們免受輻射損傷。

當然,產生強太陽風暴時,宇航員和跨越極區飛行的乘客可能會受到比較顯著的影響。至于美國電影《神奇四俠》中,幾名科學家因遭受太陽風暴侵襲而產生基因突變、獲得超能力的故事,恐怕也只是銀幕上的科幻而已。

我國的觀日志

超強太陽風暴和災害性空間天氣是除了洪水、臺風和地震以外,人類面對的又一類自然災害。現在的太陽物理研究已經進入了全波段、全時段的監測階段。認識太陽活動的發生和演化規律,建立完善的太陽風暴和空間災害天氣監測預報預警系統,是當代中國科學家的一項重要歷史使命。

在國家“十五”和“十一五”規劃期間,我國科學家先后實施了兩個關于太陽風暴和空間災害天氣前沿領域的國家重點基礎研究計劃項目(973項目)的系列研究。我國自上世紀50年代以來,初步建立了地面日地環境監測網,包括太陽光學和射電觀測、地磁觀測、電離層觀測等。我國科學家創造性發展的太陽磁場望遠鏡,已系統觀測太陽向量磁場20多年,標志著我國太陽物理研究進入國際先進行列。

國家重點基礎研究計劃項目實施10年來,我國太陽、空間和地球物理科研團隊在基礎研究上取得了重大成果。例如關于太陽風暴和空間災害天氣的機理研究和預報模型的建立,為神五、神六、神七、嫦娥一號等重大國家空間計劃提供了預報服務保障。項目執行期間,相關研究工作得到4次國家自然科學二等獎,發表了近一千篇SCI審稿雜志論文,同時還培養了一支優秀的研究隊伍,一大批杰出的青年科學家在成長。今年,第二個國家973項目將要接受國家科技部組織的結題驗收。

與發達國家相比,我國的空間預報水平雖然在業務能力方面差距不大,但探測能力還遠遠落后。

汪景琇介紹,在太陽物理領域,目前國際上比較新的觀測衛星項目有三個:美國和歐洲合作的“日地關系天文臺”,日本、美國和英國合作的“‘日出太陽觀測衛星”,以及美國的“太陽動力學天文臺”。

在亞洲,印度也已經有了以太陽探測為目的的衛星。“但非常遺憾的是,至今我們國家仍然沒有一個太陽物理觀測衛星在天上運行,這與我們的綜合國力,與我們國家與日俱增的預測、防范太陽風暴和空間災害天氣危害的需求非常不相稱,這是中國太陽物理學家心中的‘痛,也是限制中國太陽物理和空間科學發展的一個瓶頸。”汪景琇說道。

盡管我國已經擁有多種先進的地基太陽觀測設備,但地基觀測畢竟存在波段、時段和地球大氣擾動方面的缺陷,為了實現天基觀測的愿望,我國的科學家已經筑夢多年,例如推動近20年的空間太陽望遠鏡(SST)計劃。該計劃由國家天文臺艾國祥院士等在上世紀90年代初提出。計劃中的空間太陽望遠鏡可能成為我國第一個太空望遠鏡。直徑1米的鏡頭將使其成為世界上最大的空間太陽光學望遠鏡,輔以紫外、X射線等多波段的探測設備。將望遠鏡送入太空后,就可擺脫大氣層的干擾,在優于百公里空間分辨率下和高偏振精度下,觀測太陽向量磁場的結構和演化,以及太陽大氣的動力學響應,認識太陽活動的機理,從根本上提高空間災害性天氣的預報水平。

與此相呼應的是“夸父計劃”,由北京大學涂傳詒院士等在2003年提出,意在建立一個從太陽到地球“端到端”的空間天氣衛星綜合觀測系統,提高空間災害天氣預報的準確度。這一計劃同樣得到了國內太陽和空間物理界的關注和支持,并且在2007年通過國防科工委的相關評審,予以預研立項,現由中國科學院領銜實施,又稱為“空間風暴、極光和空間天氣”探測計劃。“夸父計劃”由三顆衛星組成,其中A星設置在距地球150萬公里的日地連線上,全天候監測太陽活動的發生及其伴生現象。另兩顆B星在地球極軌飛行,監測太陽活動導致的近地空間環境的變化。

如果說空間太陽望遠鏡計劃將把中國太陽物理研究推向國際最前沿的領域,那么夸父計劃則將實現從太陽到近地空間端到端綜合監測太陽和空間風暴的目標,兩者互補。

汪景琇說:“我們希望在‘十二五期間,以超強太陽風暴及空間災害天氣預測預報為主題的國家重點基礎研究計劃能夠得以立項,讓我們把前兩期973項目開展的工作繼續做下去,把還沒有做好的在第三期做得更好,把新的熱點前沿問題考慮進來并做起來;希望第三期有更年輕的同事擔負重任,為國家的空間安全、社會和諧和國家戰略發展做出貢獻。”

關注太陽周的異常行為

太陽有時活動異常,有時也比較平靜穩定。它的輻射只要改變0.1%——0.2%,就可能造成地球氣候的很大改變。汪景琇提醒,其實除了警惕超強太陽風暴,對于太陽活動周的異常行為也要予以特別關注。

持續極小的太陽活動可能引起氣候異常——氣溫降低,地球進入小冰期。比如,從1645到1715年,就有一段被稱為“蒙德爾極小期”的時期。整個期間太陽上總共只觀測到50個左右的太陽黑子。蒙德爾極小期與小冰期中最冷的一段時間相合。當時的歐洲和北美洲,以及世界上許多地區,冬季尤其寒冷。而在1787——1843年間的道爾頓極小期,倫敦人在圣誕節可在泰晤士河面溜冰。黑子活動的極低和嚴寒氣候的關聯,仍是持續受到爭辯的題目和非常值得關注的課題。

有一些嚴肅的學者曾對英國的小麥產量與極低太陽活動的關系進行了研究,發現極低太陽活動時糧食減產,結果小麥價格走高。

汪景琇指出,“太陽周異常行為不像一次超強太陽風暴的短暫影響,而是長期潛在的對氣候異常、全球變化的影響,也要加以防范和思考。”我國第二個973項目中也提倡對太陽周的異常行為和可能的影響作研究,注重長期太陽周的預報。

目前,國際學術界正在討論:第24個太陽活動周是不是一個極強的太陽活動周。

美國科學家曾預報第24個太陽周太陽活動極強。但印度科學院院士Arnab RaiChoudhuri和我國科學院國家天文臺姜杰博士等合作,由太陽發電機理論模型,預報第24個太陽活動周比第23周要弱約30%,這一研究成果在《物理評述快報》(Physical Review Letters)主編建議欄目下發表,在國際上引起重大反響。

今年入夏,北半球“極冷點”全都出現高溫,是不是與太陽活動水平有關?汪景琇認為:“現在不好說溫度太高,只能說不太正常。很可能與第23個太陽周周末期和第24個周初期的超低太陽活動水平有關系——超低的太陽活動水平總會對地球環境產生某類影響,但具體是什么影響、如何影響,又是涉及多學科的更加困難的研究課題。”

鏈接

日地關系天文臺(STEREO)是美國宇航局和約翰?霍普金斯大學聯合研制的兩顆太陽探測衛星,于2006年發射升空,分別位于地球繞太陽公轉的軌道前方和后方,目的是在不同的角度對太陽進行立體觀測,拍攝太陽的三維圖像,對研究太陽的日冕物質拋射、耀斑的發生發展過程有重要意義。

“日出號”太陽觀測衛星(Hinode)是2006年9月由日本宇宙航空研究開發機構發射的,衛星搭載有日本與美國、英國共同開發的可見光磁場望遠鏡、X射線望遠鏡、極端紫外線攝像分光裝置這三種望遠鏡。其最大特點是能在非常高的空間分辨率和很高的偏振精度下,觀測太陽的磁場結構。Hinode公開的數據為科學家研究太陽磁場和太陽活動的機理提供了極大幫助。

相對前兩個衛星,美國的太陽動力學天文臺(SDO)則是更具雄心的一個計劃。它于今年2月在佛羅里達州的卡納維拉爾角發射中心發射,打破了時標以及清晰度的壁壘,可以通過觀測太陽的震蕩、太陽全日面的速度場等,反演太陽內部的結構——就像用地震學的方法了解地殼結構一樣,同時觀測太陽全日面向量磁場。SDO還能夠每秒鐘拍攝一張超高分辨率的太陽照片。該項目科學家認為,SDO在人類認識太陽方面帶來的革新將如同哈勃太空望遠鏡為天體物理學帶來的變革。

除此之外,太空中還有一些尚未退役的國際“觀日者”,比如美國NASA在1995年發射的太陽與日球天文臺(SOHO)——過去15年里,我們看到的多數太空中拍攝的太陽照片便來自SOHO;還有NASA發射的過渡區和日冕探測員(TRACE)、歐洲航太總署(ESA)發射的Cluster衛星群等,都為科學家了解太陽活動和空間天氣提供了主要的參考。