太陽風暴

英國新科學網站曾勾畫了一幅令人心驚的場面：美國東海岸上空布滿了一道五彩斑斕的光幕。正當人們陶醉于極光美幻影像的時候，他們并沒有發現燈泡突然變得忽明忽暗。90秒鐘之后，東部發生了大規模停電事故。與此同時，歐洲北部地區也陷入一片黑暗。醫院、學校關閉，通訊早已中斷，經濟遭受沉重打擊。而這一切，都源于距地球1.5億公里之遙的太陽表面。（圖1）

雖然這種場面目前還僅存在于人們的想象當中，卻絕非不可能發生。2009年1月美國國家科學院發布了一份有關2012年太陽風暴的特別報告，科學家們提出警告：如果150年前發生過的超強太陽風暴于2012年9月再度吹襲地球，它將可能引發一場地球災害，而人類根本無力應對。

魏奉思（空間天氣科學家 中科院院士）：美國國家科學院的這份報告是有其科學依據的。大家都知道，太陽的活動11年為一個周期，依照次序編號，現在已進到第24個太陽活動周期。每個活動周期都有一個峰年。美國科學家在 2008年預測，2012年將是太陽活動非常頻繁的峰年，可能有更多的更猛烈的太陽風暴發生。但準確地預報它吹襲地球的時間和強度，目前人類沒有這個能力。

巧合的是，在瑪雅預言中，2012年的12月21日就是人類大毀滅的日子，與美國國家科學院的報告相比，只有三個月之差。太陽神在瑪雅人的宗教體系中，代表著戰爭和權力，這似乎是種不祥的隱喻。在好萊塢影片《2012》里，太陽風暴作為災難的開端展示給觀眾，吸引了公眾的目光。

魏奉思：太陽風暴就是太陽上一種巨大能量和物質突然釋放的現象。太陽風暴吹到地球，就會把地球磁層打開，巨大能量輸入到地球空間，引起地球磁層、電離層和中高層大氣的急劇變化，從而對航天、通訊、導航帶來損失，被稱為空間災害性天氣事件。（圖2）

為了應對太陽風暴帶來的災害性天氣事件，中科院院士魏奉思和他的同事一道，創建了國家大科學工程《子午工程》和積極推進《國際空間天氣子午圈計劃》。

魏奉思：子午工程主要是監測當太陽風暴吹到地球時，地球空間環境發生怎樣的響應變化，為建立空間天氣模型和預報地球空間天氣效應提供科學數據。子午工程是一個在地面上按照一定的經度、緯度設計、建設的地基空間環境監測網。通過北京東經120°子午鏈，再加上從上海經武漢到拉薩的北緯30°鏈，構成一個空間環境監測鏈網。通過這樣排開的一連串的地基觀測站，監測地球磁層、電離層、中高大氣層等空間環境變化。

隨著人類文明的進步，空間技術正在被廣泛使用。通訊、電視、廣播、信用卡系統、金融交易、網絡與信息包裹著我們每一個人。這些無處不在而脆弱的技術系統將在超強太陽風暴面前不堪一擊。超強太陽風暴甚至將襲擊現代社會的基礎：電力系統。使我們一覺醒來，發現自己置身于中世紀年代。

即便是在太陽活動不那么頻繁的時候，空間天氣災害也常有發生，太陽的壞脾氣幾乎每一年都使我們飽受磨難與考驗。

魏奉思：太陽風暴是一種突發性、隨機性的現象。比較集中地出現在太陽活動峰年期間。但也可能出現在太陽活動的任何時候，包括太陽活動的低年。如，1997年1月正處在太陽活動極低的年份，可是一個大的太陽耀斑爆發，使美國設計壽命為12年的衛星只服務了3年，損失7億多美元。再如，2006年12月13日，太陽耀斑爆發，使廣州、海南、重慶的廣播電臺全部失聲，長達一個多小時。

從1997年到2003年短短六年時間里，發生了十幾起由太陽風暴引發的空間天氣災害性事件，使環繞地球的400多顆在軌衛星中，有的部分報廢或者縮短了壽命。

1995年歐洲航天局聯合美國航天局發射一系列衛星，用于監測太陽活動，其中幾顆衛星在太陽風暴的襲擊下早已傷痕累累。

魏奉思：衛星受到太陽風暴產生的高能電子攻擊，會導致衛星形成充放電現象。在此過程中，衛星的設備或整個衛星都有可能被擊毀。（圖3）

那么同樣用于觀測太陽活動的子午計劃，又怎樣保證衛星的安全運行呢？

在電影《2012》中，太陽風暴放射的高能中微子顆粒加熱了地球內核，進而引發了災難，中微子能穿透地表嗎？

太陽內核每秒鐘產生的能量相當于引爆1000億個百萬噸級的核彈，在太陽風暴過程中，將向太空噴射上千億噸溫度高達百萬度的粒子，地球能幸免于難嗎？

1941年，魏奉思出生于四川綿陽豐谷鎮。在山里長大的魏奉思從小就目睹了勞動人民生活的艱辛。

魏奉思：小時候，看到背鹽的腳夫背負沉重，拄著丁字拐杖艱難行走，累了就把拐杖杵在背后休息一下。當時想長大后要做點事，以減輕他們繁重的體力勞動。初中時，在一次中蘇友好聯盟活動中看到了聯合收割機的演示，感到這個機器太好了，農民可以省多少力氣啊。產生了要當機械化、自動化工程師的愿望。

1958年報考大學時，他在志愿表上填寫了中國科技大學自動化專業。

魏奉思：接到錄取通知書一看，是地球物理系。后來才知道，國家為了衛星、火箭研究建造的需要，新增了地球物理系。

畢業后他被分配到中科院地球物理所，在中科院組建了我國最早的“行星動力學研究集體”。雖然被評為中科院先進研究集體，現實環境卻是十幾個人擠在幾間低矮的平房里，經費更是少得可憐。

魏奉思：有一天下大雨，室內被水淹近一尺深，大家都光著腳、卷著褲腿進出。當時非常擔心的是一臺借錢買的華升工作站，它是我們所的第一臺工作站。用來開展數字模擬研究，研究太陽風暴從太陽表面開始，通過太陽附近的近日冕的磁層結構是怎樣往外傳播的，當時國際上還沒人這么做。

在這樣艱難的條件下，他創建了我國空間物理領域第一個所級開放實驗室——日球物理數值開放實驗室。在起草我國空間物理發展規劃過程中，魏奉思提出了子午工程的科學構想。

魏奉思：子午工程觀測設備在監測太陽風暴引起地球空間環境變化過程中將得到一系列數據，經過數據中心處理后形成各種圖表。日冕物質拋射、電離層震爆等都能監測得到。總體看，人類監測能力還有限，太陽上究竟發生了什么事情，沒有衛星到離太陽很近的地方去觀測，只能是霧里看花。減輕或規避空間天氣災害對人類的影響，世界各國都面臨著巨大挑戰。

子午工程于2012年10月23日通過國家驗收，正式投入科學運行。將大幅提高我國空間天氣預報能力和服務水平，為我國衛星、通信、導航、載人航天等安全運行提供重要保障。

子午工程是目前世界上跨度最長、監測空間范圍最廣、監測方法和手段最全、監測參數最多、綜合性最強的空間環境地基監測系統，處于國際同類科學裝置的領先地位。

重大國際科技合作項目——國際空間天氣子午圈計劃也取得重大進展。該計劃將中國的子午鏈向北延伸至俄羅斯，向南延伸到澳大利亞，并將分布于西經60°附近的地面觀測臺站納入聯網觀測，形成了唯一一個能繞地球一周的地基空間環境子午圈。已經得到了圈上絕大部分國家的響應。（圖4）（圖5）

面對太陽風暴，在大氣層之外，地球的磁層是對我們最重要的保護，太陽風暴會沖擊和壓縮地球磁層，地球磁場的急劇變化會在地面電網中形成強大的感應電流。這些感應電流會輕易地擊穿變壓器的鐵芯和銅線圈，使電網瞬間陷于癱瘓。（圖6）

1989年3月13日凌晨2時44分，加拿大魁北克省電力公司的工程師突然發現圖板警告燈開始閃爍，1分15秒后，太陽風暴造成了魁北克省大規模停電。當蒙特利爾市的居民幾個小時后醒來時，發現城市仍然處于一片黑暗之中，沒有廣播，沒有報紙，學校、地鐵和機場都已關閉，街頭只有交通堵塞和一片混亂。600萬人忍受了長達9小時的停電之苦。在邊境之外，美國也有十幾個州發生了不同程度的電力故障，新澤西州一架價值一千萬美元的巨型變電器被燒毀。

在美國國家科學院的報告中提到，超強太陽風暴會帶來巨大的社會和經濟破壞，在災難發生的第一年，將給美國造成高達2萬億美元的巨額損失。

魏奉思：超強太陽風暴吹襲到地球，對我國將造成多大經濟損失？通過分析我國衛星數量、運行狀態和基礎設施被破壞的程度，保守估計，經濟損失可能達到一千億美元以上。

太陽黑子的大量出現，預示著太陽上的大爆炸：閃亮耀斑，高能帶電粒子輻射增強，日冕物質拋射向空間。這些爆炸是如此的劇烈和壯觀，相當于150億個百萬噸級核彈同時引爆。然而僅僅8分鐘后，諸如X射線、紫外射線、伽馬射線將闖入大氣層。十幾個小時后，一股肉眼看不見的殺手——高能粒子就將殺到地球。這些高能輻射不是可見光，卻可以破壞生物細胞和DNA。雖然人體有自我修復的功能，可是在太陽風暴中這種看不見的“日光浴”有時會給你帶來致命傷害。（圖7）（圖8）

魏奉思：太陽風暴引起的地球磁暴，能使心血管疾病的發病率、死亡率有增高的危險。高能輻射的紫外線、高能帶電粒子對動植物的繁殖、生長、發育都有影響。

太陽上的磁活動有時會使太陽內部受磁場約束的物質有了一個突破口，上千億噸的太陽物質將以每秒數百公里或者數千公里的速度噴射出來，形成沖擊波。這股太陽颶風將穿越日地行星際空間，在不到四天之內便可到達地球。有時甚至不到20個小時。（圖9）

這股颶風將正對著它的地球磁力線吹到地球身后，發生磁場重聯，釋放出巨大的能量；大量的高能太陽風粒子從地球的兩極撞入大氣層，激發出絢爛的極光。這令人著迷的光幕預兆著空間天氣災害將可能光臨地球。

魏奉思：太陽風暴這個外因，會引起地球空間環境變化。比如，太陽風暴與火山活動、厄爾尼諾現象，以及全球氣溫變化都有一定關聯。我們已向國家提出建議，建立國家的空間天氣保障體系。提升我國對空間天氣變化過程及其規律的認識水平，加強預警報警以及效率分析的研究。如果這些事情做好了，太陽風暴災害可以大大減少。

2009年1月美國國家科學院曾經發布一份特別報告，說超強太陽風暴于2012年9月吹襲地球，可能引發一場地球災害。但他們很快又發現，這個說法是錯誤的。

魏奉思：美國科學家們在2008年作出預報，2012年9月是太陽峰年，但很快發現不對。2008年有200多天太陽上看不到任何黑子。2009年，太陽活動仍然處在一個非常低的水平。這是過去任何預報模式和方法都沒有預測出來的。

2010年10月，美國國家科學院更正，第24個太陽活動周期產生的超強太陽風暴并非在2012年9月吹襲地球，而是2013年的4月。

太陽受其內在物理條件的制約，形成了大約每11年一次劇烈活動的太陽活動周期，它產生的太陽風暴是不可避免的。那么人類將如何應對呢？

魏奉思：太陽風暴對百姓生活沒有大的影響。原因是：地球大氣層首先吸收了從太陽來的電磁輻射，除了紫外波段非常短的一小部分外，基本上到不了地表。帶電粒子被地球磁場所屏蔽，它沿著地球磁場打轉，絕大部分到了地球兩極，產生極光。太陽等離子體到來后，也被地球磁場所擋住。太陽風暴沒辦法直接到達地面。我們要樹立空間災害意識，學習空間天氣知識，這樣就不會因太陽風暴吹來而恐慌或擔心。

劇烈而集中的太陽風暴在太陽活動峰年很有可能發生，但是卻不太可能會直接向地球襲來。相對于宇宙空間來說，我們的地球非常渺小，只有正對著地球的太陽風暴才會對人類社會產生重大的不利影響。

高能粒子的襲擊是太陽風暴的重要威脅。在電影《2012》中提到的中微子是宇宙中廣泛存在的粒子射線，具有很強的穿透性和不與其他物質產生作用的特性，在您閱讀此文過程當中，已經有數百萬中微子穿過了您的身體，至于中微子加熱地球內核，那只不過是影片主創人員的想象。

魏奉思：若太陽像一片森林，地球就是一片葉子。和太陽相比，地球實在太渺小。太陽風暴的神秘面紗終究會揭開，人類以自己的智慧，總是會不斷逼近真理性的認識。一個民族不能只關心腳下的事情，希望更多的人仰望星空。