太阳风暴 横扫地球

来源：科学时报 发布时间：2003-11


沉默的太阳再次“发怒”

　　中国科学院空间环境预报中心是直接为“神舟”飞船检控部门提供空间环境预报的单位。该中心的业务预报组组长刘四清副研究员告诉记者：“一年以来太阳都没有大的爆发，从太阳周的时间上讲，已经进入太阳活动的低年，可能很多人都认为太阳应该‘风平浪静’了，但这个时候它却又发生了强烈的爆发。”据刘四清介绍，太阳以前在低年也有过爆发，但是这次爆发强度之大和持续时间之长，甚至可以与峰年的大爆发所比肩，还是非常少见的。

　　通过观察发现从１０月２２日开始，多个黑子群开始在太阳表面活动，日面上出现了三个面积很大的活动区４８４、４８６和４８８。“它们不是孤立的。就像打开了一个开关一样，多个黑子群都开始活跃了。”刘四清说，从１０月２２日开始，他们就预测指出，在未来一段时期内，太阳将爆发剧烈活动，并引起强烈的近地空间环境扰动，对“神舟”飞船留轨舱造成一定的影响。从１０月２６日起，空间预报中心开始根据太阳活动和空间环境扰动情况，每日向相关部门提供空间环境警报。

　　１０月２６日，４８４活动区产生了一个Ｘ１．１级的太阳耀斑和多个Ｍ级的太阳耀斑，引发了一个太阳质子事件。但这次太阳风暴还不算特别强烈，而且此次爆发的物质抛射也不是直接面向地球的。
　　１０月２８日，４８６活动区开始“发威”了，出现了Ｘ１７．２级的大耀斑。刘四清说，耀斑分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｍ、Ｘ这５个级别，Ｘ级的就已经是很大的耀斑了，而在Ｘ级中还达到Ｘ１７，更是少见的大耀斑。国外科学家也对这次太阳爆发感到惊讶，不仅仅因为本次太阳周的峰年已经过去３年，也因为这次太阳风暴引起的地磁暴达到了Ｇ５级，这是最高级别的地磁暴。更令科学家关注的是，等离子体云１９个小时就到达了地球，比通常的情况快了很多。但是也有科学家也指出，由于这一等离子体云是北向磁场，与地球磁场方向一样，情况还算“幸运”。

　　但是４８６活动区并没有偃旗息鼓。１０月２９日，这一区域又出现了Ｘ１０．０级的大耀斑。加上前几天的爆发，４８６活动区产生了６个Ｘ级耀斑和８个Ｍ级的耀斑。新一轮的太阳风暴向地球袭来，引起了几乎同等规模的地磁暴。英国《新科学家》杂志评价道，一次这种规模的直接指向地球的太阳爆发已经比较少见了，连续两次这种规模的爆发就更是空前，而且第二次的等离子体云到达地球也几乎同样地快速。１０月２８日的太阳风暴造成的等离子体云已经使得正常的通讯受到干扰，飞机改变航线，卫星失灵，电力公司为他们的电厂安全提心吊胆。而这次大爆发造成的等离子体云，与前一日不同的是还带上了与地磁反向的磁场，美国太阳观测卫星ＳＯＨＯ的负责人Ｐａａｌ Ｂｒｅｋｋｅ说“这意味着更猛烈的地磁扰动”。

　　总结十多天来太阳上的“热闹”事件，刘四清说：“一般来说，太阳风暴造成的影响有三个方面，首先是电磁辐射，包括Ｘ射线、射电辐射等；第二是高能质子流，我们称它为太阳质子事件；还有就是会引发地磁暴的磁化等离子体云。有时太阳风暴可能某一方面影响强点，另一方面影响弱点，但是这次太阳风暴的影响可以说是全方位的，这三个方面的影响都非常强。日冕物质抛射是正对地球的，而且１０月２８日和２９日的地磁暴被叠加在一起，其强度甚至超过了峰年２０００年的大地磁暴。太阳的射电流量也从１０月２３日开始急剧上升，在２９日达到峰值。”

　　国家天文台太阳活动预报组的王华宁研究员也给了记者这样几个数据：这次太阳风暴的Ｘ射线流量是１９８０年以来的第三位，本太阳周以来的第二位；黑子活动面积是本次太阳周以来最大的；质子流量是本次太阳周以来第二强的。

　　太阳打了两个大大的“喷嚏”后，是否会安静下来呢？空间环境预报中心１０月３１日在网站上发布的预报指出：“由于活动区４８６将有４天左右的时间出现在日面，而活动区４８８也拥有很大的面积，目前强烈的地磁暴仍在进行，因此，本周的前半部分时间太阳活动仍将处于很高的水平，仍可能出现很强的质子事件，本周仍可能出现新的强地磁暴。”
 
　　１１月３日，截至记者发稿，来自中国科学院空间环境预报中心的消息称，４８６活动区再次强烈爆发，产生Ｘ８．３级耀斑，并伴有强烈质子事件，这也印证了之前的预测。

　　来自太阳的三大“杀手”

　　“其实，太阳风暴是一种通俗说法，是指太阳的剧烈活动及其引发的对行星际和近地环境的扰动。”国家基础研究重点规划项目（“９７３”计划）“太阳剧烈活动与空间灾害天气”首席科学家、国家天文台研究员汪景琇这样告诉记者。

　　纵然没有太阳活动，太阳也会向它周围的空间输出电磁辐射和太阳风，即高速带电粒子流。因此，太阳电磁辐射、太阳风、行星际磁场、地球磁场、地球大气层构成了日地空间基本环境。一旦有了太阳活动，就可能在日地空间产生“风暴”。汪景琇说，太阳风暴对于地球的影响，从科学上分类主要是三种形式：电磁辐射、高能粒子和磁化等离子体云。这三大“杀手”分别以不同的速度袭击地球。

　　首先到达的“杀手”是电磁辐射。太阳耀斑爆发期间，仅需约８．３分钟，由太阳发生的增强的Ｘ射线和紫外线就会以光速传到地球，被地球上层大气吸收，使得电离层受到突然扰动。其中主要现象是电离层电子密度增加，反射短波的高度发生变化，可能导致地球向阳面短波通讯中断数小时。这就是通常所说的突然电离层骚扰，其结果是会给通讯、导航、定位带来影响；而中性大气上抬，密度发生变化，也会导致卫星的轨道下降，卫星姿态发生变化。

　　 第二快“杀手”高能粒子其实也没落后太多。汪景琇说，太阳辐射的高能粒子根据被加速的不同情况，有时会很快，以接近光速的速度“奔”向地球，也就只需要１０来分钟；有时也可能慢一些，需要几十分钟。行星际激波加速的高能粒子可能来得更迟，其中能量约为１０ＭｅＶ的粒子通量可超过一般环境下几个数量级，称为太阳质子事件。太阳质子事件中的高能粒子会对空间运行的航天器、航天员产生伤害，可能使指令系统发生错误。

　　最后一个到达的“杀手”是磁化等离子体云。其实它的速度也不慢，在空间运行的速度可达每秒１０００多公里，它压缩前面的太阳风等离子体形成激波，约２～３天到达地球轨道。汪景琇说，如果等离子体云是南向磁场，那么就会与地球的磁场发生“磁重联”，即与地球磁层作用引起地磁亚暴、地磁暴、空间粒子暴和电离层暴。如果等离子体云的磁场是北向的，那么危害相对小一些。磁化等离子体云对地球磁层的撞击不仅导致地球辐射带电子密度增加，从而使卫星充电，而且会产生强大的感生电流，对地面技术设备产生影响。突出的例子是对长距离的输电系统的影响。１９８９年３月，加拿大魁北克地区为六百多万人供电的Ｈｙｄｒｏ－Ｑｕｅｂｅｃ电力公司的变压器因感应电流过大而烧毁，整个电网在不到９０秒钟内全部瘫痪。停电事故使电力公司蒙受了１０００万美元的损失，用户总损失达１０亿美元。同时，瑞典的中部电网不得不关闭，美国局部供电出现故障，东京电力公司变压器被毁，美国核电站出现安全问题，澳大利亚输油管道受损，大西洋和太平洋海底电缆出现高压脉冲。
　　汪景琇说：“这几个影响应该说是连续的而且是连锁的过程。”
　　
　　太阳的“脾气”还无法摸透

　　由于太阳风暴在历史上曾经造成过严重的经济损失，美国国家海洋与大气局太空环境中心副局长荣·茨威格说：“如果能提前——哪怕是一个钟头——预报太阳风暴的到来并加以警告，我们受太阳风暴影响造成的损害就能减低到尽可能地小。”目前人类对太阳风暴的预报能力如何呢？我们能像现在的气象预报一样，比较准确地预测太阳什么时候会“发脾气”吗？

　　国家天文台的汪景琇研究员和王华宁研究员都很肯定地告诉记者：“现在，无论是国际还是国内，都还做不到这一点。”他们说，到目前为止，太阳物理工作者对太阳磁场能量的释放、耗散的物理机制尚未得到满意的解释，对太阳磁场产生的原因还不甚了解。因此太阳物理依然是一门十分活跃的基础学科，基础研究与预报业务的分野尚不能实现。

　　有一种说法认为，目前空间天气预报的水平只相当于１９世纪６０年代的地面气象预报水平，因为从那以后，气象预报有了卫星云图，而空间天气预报到现在也没有自己的“卫星云图”。中科院空间环境预报中心主任龚建村研究员则告诉记者：“恐怕还只能达到气象预报上个世纪三、四十年代的水平。因为我们还缺乏好的预报理论和模式，还只能是研究人员一边做研究，一边用经验寻找规律。”但是他说，目前，研究人员在２４小时到７２小时的预报尺度上取得了比较大的进展，特别是２４小时预报相对是比较可靠的，应该说基本上能够满足航天活动的要求。但是中长期的空间天气预报还无法做到准确。

　　王华宁认为，现在国际上的情况是：理论进展很缓慢，而观测手段正突飞猛进，随着欧美国家一系列空间卫星的发射，科学家们所得到的观测数据正变得空前丰富。１９５７年以来已经发射了约２００颗日地物理科学卫星，目前约２０颗仍在工作，比如美国和日本合作发射的“阳光”卫星、美国和欧洲合作发射的“ＳＯＨＯ”卫星、美国的ＴＲＡＣＥ和ＲＨＥＳＳＩ卫星等等，而且未来欧美日还将发射大量新的太阳探测和空间天气监测卫星。现在全球地面太阳活动监测预报网已经初步形成，许多国家的政府都直接参与制定和组织实施本国国家空间天气计划。美国已经计划２００６年开始常规空间天气预报。

　　据介绍，我国也有了一个初步的地面日地环境监测网，如太阳光学和射电观测、地磁观测、电离层观测等，拥有最近两个太阳周以来最完整最连续的太阳向量磁场观测资料；进行了一系列日地物理研究计划；已有一支年龄结构比较合理的日地物理研究队伍，我国科技人员以第一作者身份在国际著名刊物Ｓｏｌａｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ上发表的研究论文已占该刊论文总数的７％。长期以来，我国的太阳活动观测与预报为地震、灾害性气候预测提供依据，为我国航天活动提供服务；“９７３”计划“太阳激烈活动与空间灾害性天气”也已经启动；２００１年经国家批准，以探测地球空间暴为目标的“双星计划”正式开始，“赤道”星也将于今年年底升空。

　　谈到我国相关领域研究的地位，汪景琇认为，我国学者在国际上占有相当的学术地位，在太阳表面向量磁场观测研究方面有一定的发言权。但是对日冕物质抛射等研究，由于起步比发达国家晚，目前正在赶上来。龚建村则指出，我国的空间天气预报水平与发达国家相比，业务能力上的差距并不大，在太阳质子事件的预测方面还有自己的独特优势，但是探测能力就落后很多。王华宁也指出，到目前为止，我国还没有太阳探测卫星发射升空，新世纪我国经济和国防建设对研究和预测太阳风暴的需求将不断增加，研制发射空间太阳望远镜并且在国家层面上组织空间天气计划势在必行。

　　太阳频频“骚扰”地球

　　对于这几次频繁发生的太阳风暴，尽管人们采取了一定的保护措施，太阳打的这几个“喷嚏”还是不可避免地给地球造成了一些影响。

　　日本宇宙航空研究开发机构有关人士说，位于印度洋赤道上空约３．６万公里高度的 “回声”数据中继卫星１０月２９日凌晨出现信号异常，卫星大部分装置已经停止运转，进入耗电最少的安全状态，等到太阳耀斑爆发停止之后再恢复正常运行。此外，环境观测卫星“绿色２号”的太阳能电池板发电能力也基本丧失，致使通信中断，这可能与２４日开始光临地球的太阳风暴有关，“绿色２号”卫星已经永远不能恢复使用。研究人员说，卫星电路系统出现故障可能是带电粒子流击中卫星所致。去年４月，日本“希望”号火星探测器部分电源也曾因此出现短路现象。

　　国际空间站上的两名美俄宇航员则按照要求短暂撤离到了“曙光”号功能货舱尾部，以躲避太阳风暴发出的强辐射。

　　而磁暴也已经迫使美国空中交通指挥部门调整了一些横渡大西洋的航线。据《纽约时报》报道，美国联邦航空局已经提醒飞机乘客注意辐射的增加，该机构称，在北纬３５°以北２５０００英尺高度以上飞行的人，每个小时平均接受的辐射总量相当于地表上两天的水平。

　　美国北部和加拿大一些电网出现了电流急冲现象，美国北极光可见区域显著南移，甚至有人在得克萨斯州的埃尔帕索看到了北极光。

　　瑞典一家电力公司１０月３１日说，强太阳风暴引发的地磁暴导致瑞典南部城市马尔默１０月３０日停电一小时，影响到该市约２万户家庭的生活。

　　美国马萨诸塞州的剑桥天文物理研究中心的专家称，由于太阳风暴可能影响到通讯卫星的信号，这将给加州灭火工作带来很大不便，因为加州依靠卫星信号来安排灭火和救助工作。１０月２５日发生的加州大火迄今已造成多人死亡，上万公顷森林和无数民房被烧毁。
 
　　不过，与“地理纬度相对低，地磁纬度相对高”的美国正好相反，我国的情况是“地理纬度相对高，地磁纬度相对低”，所以受极光的影响就较小。但也不可掉以轻心。以卫星电视节目为例，最近的图像就有点受干扰。

　　来自中国电波传播研究所的消息，受地磁暴影响，从１０月３０日２３点到１０月３１日早晨８点，我国最北的电波观测点——满洲里观测站出现扩散效应，回波十分微弱。从８点开始，短波信号完全中断，于下午１点多恢复。北京观测点从１０月３１日早晨５点开始，电波反射频率也大幅下降，信号明显减弱。

　　中国科学院空间环境预报中心的刘四清副研究员说，在太阳风暴的影响下，“神舟”五号留轨舱运行高度明显降低。留轨舱在正常运行过程中，一般也会缓慢降低。而这次受太阳风暴影响，大气密度增加，阻力增大，大大加剧了轨道舱的降低幅度。他们从１０月２７日开始对此进行详细的跟踪，对“神舟”五号留轨舱可能发生的运行高度降低进行了及时的预报。至于高能质子攻击，他们认为考虑到“神舟”五号留轨舱的轨道高度，还不会受到太大的影响。该中心主任龚建村研究员说，目前，“神舟”五号轨道舱内的仪器，包括太阳能电池帆板等工作正常，轨道舱的一些敏感元器件，已经穿上了一层防辐射的“厚棉袄”，即使今后遭遇到强度较大的高能粒子流，“神舟”五号飞船也可以采取关机或调整姿态等措施避过伤害。

　　对于公众特别关心的太阳风暴对于人体健康的影响，记者采访的几位专家都表示，太阳风暴对人体（航天员除外）的影响并不显著，这应感谢地球完美的构造。虽然太阳爆发时发生的紫外线和Ｘ射线的强度可以达到平静时的数十倍甚至数百倍，并抛射出大量的高能带电粒子，但幸运的是地球稠密的大气层保护了我们，吸收了大部分的紫外线和Ｘ射线，地球磁层很好地屏蔽掉了高能带电粒子，使我们免受辐射损伤。

　　不过，是否完全没有影响呢？目前很多科学家还在对此进行广泛的研究。而国家天文台的王华宁研究员则提出，对人体最大的危害其实相当一部分是心理上的，因为很多人对太阳风暴的影响并不十分了解，所以造成一定程度的恐慌。其实，这是完全没有必要的。

背景链接：
　　太阳风暴给人类带来的损失
　　１９５８年２月９～１０日，地磁暴造成北大西洋电报电缆中断，加拿大多伦多停电。
　　１９７２年８月４日，强磁暴使美国伊力诺伊等州电力电缆中断，变压器损坏。
　　１９８９年３月１３～１４日，强磁暴造成加拿大魁北克地区电网停电。短波无线电通讯中断了约两周。ＬＯＲＡＮ的全球导航系统在３月６号到１３号无法正常导航，美国海军导航系统在全球范围内失效，ＧＰＳ全球定位系统失效，日本一颗通讯卫星异常，美国一颗卫星轨道下降。
　　１９９１年４月２９日，强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏。
　　１９９７年１月６～１１日的日冕物质抛射使ＡＴ＆Ｔ公司通讯卫星报废。
　　１９９８年５月１９日，美国“银河”四号通讯卫星失效?同时德国一颗科学卫星报废。