探索太陽(yáng)風(fēng)暴的奧秘

1859年，一場(chǎng)太陽(yáng)耀斑引發(fā)了強(qiáng)烈的地磁暴，史稱(chēng)“卡林頓事件”。這場(chǎng)地磁暴的強(qiáng)度之大，導(dǎo)致電報(bào)線(xiàn)路中異常電流激增，引發(fā)大面積通信癱瘓，對(duì)全球的電報(bào)網(wǎng)絡(luò)造成了前所未有的沖擊，甚至引發(fā)多地電報(bào)局失火。此外，地磁暴還引發(fā)了壯觀的極光現(xiàn)象。極光蔓延到地球的低緯度地區(qū)。在北美洲的落基山脈，極光將夜空照得如同白晝，當(dāng)?shù)亟鸬V工人誤以為天亮了，紛紛起身準(zhǔn)備早餐。極光亮度之強(qiáng)，人們甚至能在夜空下讀報(bào)紙。我國(guó)地方志《獲鹿縣志》也記錄了當(dāng)時(shí)的場(chǎng)景：“清咸豐九年（1859年）七月夜，紅光起于西北，亙于東北，經(jīng)三夜始散。” 這正是低緯度地區(qū)罕見(jiàn)的極光現(xiàn)象。

太陽(yáng)風(fēng)暴帶來(lái)極光

極光是一種由太陽(yáng)風(fēng)暴引發(fā)的壯觀自然現(xiàn)象。

極光多種多樣，五彩繽紛，形態(tài)不一，有的像飄動(dòng)的幕布，有的像舞動(dòng)的火焰，有的則像在空中流動(dòng)的游蛇。

當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)中的高能帶電粒子闖入地球高層大氣，通常，地球的磁場(chǎng)能抵擋這些帶電粒子。但在南北極，由于磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)特殊，呈現(xiàn)開(kāi)放的漏斗狀，帶電粒子通過(guò)這個(gè)“漏斗”，直接砸向極區(qū)的高層大氣，大氣中性分子或原子受到碰撞后以光的形式釋放能量，最終形成極光。當(dāng)然還有電離等其他一些物理過(guò)程也可能產(chǎn)生極光。極光的顏色和形態(tài)也與粒子碰撞的大氣成分有關(guān)，常見(jiàn)的顏色有綠色、紅色和紫色。

什么是太陽(yáng)風(fēng)暴？

“太陽(yáng)風(fēng)暴”其實(shí)并非一個(gè)科技術(shù)語(yǔ)，而是太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及其引起的近地?cái)_動(dòng)的一種通俗、形象的說(shuō)法。太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)是太陽(yáng)風(fēng)暴的起源，它常常表現(xiàn)為耀斑和日冕物質(zhì)拋射兩種現(xiàn)象。耀斑是太陽(yáng)電磁輻射突然增強(qiáng)的一種表現(xiàn)，而日冕物質(zhì)拋射則是指太陽(yáng)上一團(tuán)帶有磁場(chǎng)的等離子體脫離太陽(yáng)束縛，向外拋出的現(xiàn)象。太陽(yáng)風(fēng)暴的“攻擊”通常分為三輪。

第一輪 耀斑爆發(fā)時(shí)增強(qiáng)的地磁輻射以光速到達(dá)地球空間，時(shí)間只需約8分鐘，它主要對(duì)電離層產(chǎn)生擾動(dòng)，干擾短波通信環(huán)境。

第二輪 幾十分鐘后到達(dá)地球空間的高能帶電粒子，一方面引起極區(qū)電離層電子密度增加，產(chǎn)生電波極蓋吸收事件；另一方面它會(huì)直接轟擊航天器，給航天器帶來(lái)輻射損傷等多種影響。

第三輪 日冕物質(zhì)拋射的快速等離子體云，需要大約1～4天的時(shí)間才能到達(dá)地球。它首先與地球的磁層發(fā)生相互作用，引起地球磁場(chǎng)變化，產(chǎn)生地磁暴，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行、導(dǎo)航通信和地面系統(tǒng)產(chǎn)生一系列影響。

壯麗的極光現(xiàn)象通常就由太陽(yáng)風(fēng)暴的第二、三輪攻擊引發(fā)。

太陽(yáng)風(fēng)暴的特點(diǎn)

科學(xué)家通過(guò)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和近地空間環(huán)境的檢測(cè)和研究，逐漸了解到太陽(yáng)風(fēng)暴具有周期性、突發(fā)性和地域性等特點(diǎn)。

突發(fā)性

相對(duì)于人類(lèi)目前的認(rèn)識(shí)水平，太陽(yáng)風(fēng)暴的發(fā)生具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和突發(fā)性。但人類(lèi)可以通過(guò)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和地球空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)來(lái)分析預(yù)測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)引起的地球空間環(huán)境擾動(dòng)的發(fā)生和發(fā)展。

周期性

太陽(yáng)活動(dòng)水平具有11年左右的周期變化特征，有太陽(yáng)活動(dòng)高年和低年之分。太陽(yáng)活動(dòng)高年期間，爆發(fā)頻率和強(qiáng)度顯著增加。

地域性

太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)不同地理位置的影響不一，地球不同區(qū)域的響應(yīng)因磁場(chǎng)強(qiáng)弱和太陽(yáng)直射區(qū)域不同而有所差異。

太陽(yáng)風(fēng)暴的消極影響

損害衛(wèi)星和航天器

太陽(yáng)爆發(fā)所噴射的高能帶電粒子到達(dá)地球附近后，使在軌衛(wèi)星遭遇的高能帶電粒子急劇增加。這些高能帶電粒子具有極高的能量，能穿透衛(wèi)星外殼，給衛(wèi)星平臺(tái)和攜帶的有效載荷帶來(lái)多種輻射效應(yīng)。它們可能引起微電子器件邏輯錯(cuò)誤，造成程序混亂，嚴(yán)重時(shí)可能造成器件內(nèi)部短路、擊穿；也可能引起材料性能衰退，成像系統(tǒng)噪聲增加，太陽(yáng)能電池效率降低。同時(shí)，高能帶電粒子還可能對(duì)宇航員造成輻射傷害。

2000年，發(fā)生在法國(guó)的巴士底太陽(yáng)風(fēng)暴，使多顆衛(wèi)星發(fā)生故障，一顆衛(wèi)星失效。2003年的萬(wàn)圣節(jié)太陽(yáng)風(fēng)暴期間，地球觀測(cè)衛(wèi)星GOES-13的太陽(yáng)能電池板因?yàn)楦吣芰Ｗ拥淖矒舳鴵p壞，影響其正常運(yùn)行。

通信干擾

太陽(yáng)風(fēng)暴常常會(huì)引起電離層的分層結(jié)構(gòu)混亂，干擾無(wú)線(xiàn)電通信。2006年12月初連續(xù)爆發(fā)的太陽(yáng)耀斑對(duì)我國(guó)的短波無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳播造成嚴(yán)重影響，短波通信、廣播等電子信息系統(tǒng)發(fā)生大面積中斷或受到較長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)重干擾——12月13日北京時(shí)間10時(shí)40分前后，太陽(yáng)又爆發(fā)一次大耀斑，廣州、海南、重慶等地的電波觀測(cè)站的短波探測(cè)信號(hào)從10時(shí)20分左右起發(fā)生全波段中斷，直至11時(shí)15分以后才逐步出現(xiàn)信號(hào)，13時(shí)30分以后基本恢復(fù)正常。

破壞電力系統(tǒng)

當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴來(lái)襲時(shí)，不僅電力系統(tǒng)本身可能遭到重創(chuàng)，所有依賴(lài)電力的應(yīng)用系統(tǒng)都將不堪一擊。1989年3月的強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴曾使加拿大魁北克地區(qū)在寒冷的冬夜停電 9小時(shí)，引起了國(guó)際社會(huì)的震驚和對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的廣泛關(guān)注。正是由于太陽(yáng)風(fēng)暴存在諸多危害，而且威力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)制造的任何武器，有科學(xué)家形象地將它稱(chēng)為來(lái)自自然界的“太空武器”。

監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴

為了更好地應(yīng)對(duì)和預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴，人類(lèi)采取了多種監(jiān)測(cè)手段，比如磁場(chǎng)探測(cè)、電場(chǎng)探測(cè)、無(wú)線(xiàn)電波探測(cè)、光學(xué)探測(cè)、宇宙線(xiàn)探測(cè)等。下面給大家介紹兩個(gè)目前世界上非常先進(jìn)的太陽(yáng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

（1）圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡

圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡，架設(shè)在四川省稻城縣，由313臺(tái)直徑6米的天線(xiàn)構(gòu)成，每一臺(tái)天線(xiàn)像一把撐開(kāi)的傘，它們均勻分布在直徑1千米的圓環(huán)上，圓環(huán)的中心是一根100米高的定標(biāo)塔，狀如一顆巨大的“千眼天珠”。它是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)（子午工程二期）的標(biāo)志性設(shè)備，也是目前全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

世界首創(chuàng)的圓環(huán)陣列構(gòu)型和中心定標(biāo)總體方案，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高分辨率“射電相機(jī)”功能。圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡還可以與太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)“天地配合”，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行多個(gè)波段的綜合觀測(cè)，極大地提高了科學(xué)家們太陽(yáng)觀測(cè)和空間天氣預(yù)報(bào)的能力。

（2）“羲和號(hào)”衛(wèi)星

為了更好地理解和預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴，科學(xué)家們發(fā)射了專(zhuān)門(mén)的監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。以中國(guó)的“羲和號(hào)”衛(wèi)星為例，這顆衛(wèi)星于2021年發(fā)射，運(yùn)行在距離地球約100千米的太陽(yáng)同步軌道上。它裝備了先進(jìn)的太陽(yáng)監(jiān)測(cè)儀器，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)，幫助科學(xué)家們研究太陽(yáng)風(fēng)暴的形成和演變過(guò)程。

2010年，美國(guó)國(guó)家航天航空管理局（簡(jiǎn)稱(chēng)NASA）發(fā)現(xiàn)地球外部的磁氣圈正在變薄。地球外部磁氣圈就像一個(gè)圍繞地球的巨大肥皂泡，作用是保護(hù)地球不受來(lái)自太陽(yáng)等天體的強(qiáng)烈輻射。據(jù)NASA預(yù)測(cè)，2013年地球可能遭遇強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)暴，屆時(shí)全球范圍內(nèi)的大規(guī)模停電和通信失效會(huì)接踵而來(lái)。在一起由科學(xué)家、政府官員和政策研究員共同參與的太空大氣高峰論壇上，科學(xué)家表明了太陽(yáng)將在 2013年從沉睡中蘇醒，進(jìn)入活躍期。此后，出于對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴可能帶來(lái)的災(zāi)難性后果的擔(dān)憂(yōu)，全球科學(xué)界開(kāi)始密切監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)，各個(gè)國(guó)家也對(duì)各自的人造衛(wèi)星做了安全預(yù)案，以盡可能減少太陽(yáng)風(fēng)暴給衛(wèi)星帶來(lái)的損害。

2013年7月22日，科學(xué)家擔(dān)憂(yōu)的事情終于發(fā)生，太陽(yáng)噴發(fā)出的日冕物質(zhì)以超過(guò)8800馬赫的速度向地球狂奔而來(lái)。幸運(yùn)的是，地球剛好和這次日冕物質(zhì)拋射擦肩而過(guò)，如果爆發(fā)事件提前9天，地球就會(huì)和劇烈的日冕物質(zhì)拋射正面相撞。國(guó)際空間研究委員會(huì)表示，如果這一切真的發(fā)生了，那么由此引發(fā)的超級(jí)地磁暴造成的損失將高達(dá)數(shù)萬(wàn)億美元，全世界需要4～10年才能從這次災(zāi)難中恢復(fù)。

這一災(zāi)難，地球僥幸躲過(guò)了！面對(duì)隨時(shí)可能擊垮電網(wǎng)、影響通信、損壞衛(wèi)星，造成數(shù)萬(wàn)億元損失的太陽(yáng)風(fēng)暴，我們不能把全人類(lèi)的命運(yùn)拿來(lái)賭，所以對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和研究就顯得尤為必要。