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《科技創(chuàng)業(yè)月刊雜志》2015年第四期

1太陽風暴的概念及形成

1．1日地能量傳輸對于地球而言，太陽是我們的能量之源，地球誕生以來所消耗的能源99％以上都來自于太陽。太陽的能量之大是我們無法想象的，在《太陽風暴》短片中講到，太陽的能量來自其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，這種反應(yīng)每秒產(chǎn)生的能量比地球誕生以來所消耗的所有能量還多。日常生活中，我們首先感受到的太陽能量就是陽光的照射。由于陽光對地球的直射點在南北回歸線之間移動造成地球上的冬夏交替，讓我們感受到冬天的寒冷和夏天的炎熱。武漢的夏日，烈日當空，站在大太陽下不動都渾身冒汗，但如果能躲進樹蔭立刻倍感涼爽。武漢的冬天則是天寒地凍，身上裹得像個粽子也抵不住陣陣寒意，但如果能陽光下曬上幾分鐘，立刻覺得渾身舒坦。僅僅由于陽光對地球直射點的少許變化就造成四季溫度的巨大差異，太陽的威力可見一斑。此外，由于陽光對大氣的加熱在不同季節(jié)和不同緯度都不相同，還會造成地球高層大氣的全球尺度環(huán)流。實際上，陽光除了對地球提供熱能，還能造成高層大氣的電離進而形成導電層，而正是地球上空的導電層讓人類的遠程無線電通信成為現(xiàn)實。當然，造成大氣電離的陽光并非我們熟悉的可見光，而是遠紫外波段和X射線波段的太陽光輻射。我們知道，光其實是一種電磁波，太陽可見光和其他波段的光輻射統(tǒng)稱為太陽電磁輻射。太陽在以電磁輻射的形式向地球提供能量的同時，還以另一種形式也在向地球源源不斷地提供能量，前文所說的太陽風暴對地球的襲擊正是來自后一種形式的巨大能量。

1．2太陽風暴的形成原因

1．2．1太陽風大約100年前，人們發(fā)現(xiàn)每次太陽出現(xiàn)大耀斑之后2~3天，地磁場就會發(fā)生顯著變化，這使人們想到太陽耀斑可能伴隨著太陽粒子發(fā)射，由于太陽和地球相距大約1億5千萬公里，2~3天的滯后時間表明這種粒子發(fā)射的運行速度約為1000km／s，也就是數(shù)百萬km／h。經(jīng)過幾十年的探索和研究，科學家們終于發(fā)現(xiàn)太陽上的這種粒子發(fā)射是連續(xù)不斷的，我們稱之為“太陽風”。與地球上我們熟知的風大不相同，太陽風是太陽大氣不斷向外噴發(fā)的帶電粒子流，典型速度大約400km／s，也就是144萬km／h，最高速度超過500萬km／h，而地球上最強的臺風速度才幾百km／h。太陽每時每刻都在以這種“風”的形式向地球輸入能量，但這種能量輸入主要發(fā)生在極區(qū)，然后通過在地球空間的能量釋放過程造成全球性的影響，而太陽電磁輻射在向陽面所有緯度都有能量輸入。太陽活動平靜期，太陽風對地球的能量輸入與電磁輻射的能量輸入大致相當，但在太陽活動活躍期，太陽風攜帶的物質(zhì)和能量顯著增強。

1．2．2太陽風暴的表現(xiàn)形式通俗地說，太陽風暴就是太陽表面的大爆炸，大爆炸首先表現(xiàn)為太陽耀斑。一次太陽耀斑爆發(fā)的能量可以提供美國數(shù)千年電力。耀斑產(chǎn)生增強的電磁輻射，9min就可以到達地球，引起低層大氣電離增強和強烈的無線電波吸收，進而導致整個向陽面的的無線電通信中斷。1~2h之后，高能粒子到達地球，對太空中的宇航員帶來致命傷害，衛(wèi)星的許多電子器件和太陽能電池板也會造成毀滅性破壞。太陽耀斑能量驚人，卻還并非造成1989年3月魁北克大停電的元兇，而只是一場驚人破壞的第一階段，耀斑就好比開槍后的閃光，造成破壞的是隨即而至的子彈，也就是跟隨在耀斑之后的日冕物質(zhì)拋射。一次日冕物質(zhì)拋射可以攜帶數(shù)十億t的物質(zhì)并加速到數(shù)百萬km／h，其2h內(nèi)的能量可以提供美國10萬年的電力。日冕物質(zhì)拋射也可以看成是顯著增強的太陽風，它向地球輸送的大量物質(zhì)和能量引起地球空間環(huán)境的巨大變化，進而對人類活動造成不可估量的災(zāi)害，我們稱之為地磁暴。地磁暴可以導致強大的地面感應(yīng)電流，足以摧毀人類的任何大型地面電網(wǎng)，還會造成輸油管道的破壞，導致大面積供電中斷和石油泄漏，所幸這種強大的地面感應(yīng)電流只在局部出現(xiàn)，但太陽風暴越強，其可能出現(xiàn)的區(qū)域也越廣。地磁暴還會強烈改變高層大氣的電離屬性，造成衛(wèi)星導航以及飛機或艦船的導航信息達到幾公里的誤差，甚至造成導航和通信鏈路的中斷。地磁暴造成低層大氣加熱上升導致衛(wèi)星軌道高度的大氣密度增加，衛(wèi)星運行阻力增大而掉落失蹤，甚至墜毀。1979年7月磁暴期間，美國宇航局的太空實驗室就因空氣阻力增大逐漸脫離軌道，最終墜落墜毀在印度洋和西澳大利亞上空。

2太陽風暴對人類生活的影響

2．1以往太陽風暴對人類生活造成的顯著災(zāi)害過去25年里，已有多次太陽風暴對人類活動造成顯著災(zāi)害性影響。1991年4月的強磁暴造成美國緬因州核電廠發(fā)生災(zāi)難性破壞；1997年1月的太陽爆發(fā)事件使美國AT＆T公司一顆價值2億美元，設(shè)計使用壽命12年的同步軌道通訊衛(wèi)星僅服務(wù)3年就提前報廢，損失高達7億美元；1998年5月的多次太陽爆發(fā)事件導致美國銀河四號通訊衛(wèi)星失效和一顆德國科學衛(wèi)星報廢，無數(shù)的通信中斷造成金融交易陷入混亂；2000年7月14日歐美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科學研究衛(wèi)星受到嚴重損害，如美歐合作耗資20億美元的SOHO太陽科學衛(wèi)星的探測器減壽一年，日本的ASCA衛(wèi)星失控，AKEBONO衛(wèi)星的計算機遭到破壞；2003年10月底至1月初的太陽爆發(fā)事件產(chǎn)生廣泛的影響：瑞典的Sydkraft電力集團報道，北歐上空強烈的地磁誘導電流引起了變壓器事故，導致一套系統(tǒng)崩潰及電力供應(yīng)中斷。航空公司在其高緯度航線中采取了從沒有過的飛行方式來避開高輻射能級和通信中斷區(qū)域。航程變更給航空公司的每次飛行增加了10000~100000美元的開支。該太陽風暴被懷疑是導致價值640000000美元的ADEOS－2飛行器損毀。由于此次太陽爆發(fā)的高強度和變化性，絕大多數(shù)易受空間天氣攻擊的工業(yè)部門在運行過程中都經(jīng)受了某種程度的影響。1989年3月的太陽風暴雖然是迄今為止對人類活動造成破壞最嚴重的災(zāi)害性空間天氣事件，但還并非史上最強的太陽風暴。1859年9月1日早晨，英國天文學家理查德•卡林頓用裝著過濾器的望遠鏡觀測太陽表面時，他發(fā)現(xiàn)太陽表面噴射出了一道明亮的閃光。然而卡林頓不知道的是，那團明亮的斑點是一團帶著電荷的等離子云，它正朝著地球的方向疾速飛來。48小時后，“超級太陽風暴”就襲擊了地球，導致熱帶地區(qū)的夜空都能看到極光，這些極光是如此明亮，以至于人們在午夜時分不用點燈都能閱讀報紙?！俺壧栵L暴”導致當時的許多電報機都癱瘓。這次太陽風暴是有記錄以來強度最大的一次，如果用參數(shù)來衡量，它所造成的地磁暴強度達到1989年3月地磁暴的3倍。不過在1859年，世界主要還依靠蒸汽機和肌肉勞力在運轉(zhuǎn)，所以當年的“超級太陽風暴”并沒有給人類帶來過于嚴重的災(zāi)難。

2．2太陽風暴對當今人類生活的影響時至今日，人類生活變得越來越復雜，更擁有前所未有的先進科技，但科技給人類帶來的方便和自由在太陽風暴來襲時恰恰成為我們的弱點。如果再發(fā)生一次和1859年同樣級別的太陽風暴，雖然生命不會受到威脅，但地球上所有依賴電力的設(shè)施和系統(tǒng)都可能受到毀滅性打擊?；氐奖疚牡拈_始，美國科學院預計的超強太陽風暴在2012年并未出現(xiàn)，這種預計的依據(jù)是什么？要回答這個問題，我們首先需要了解太陽活動的特點?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，太陽活動呈現(xiàn)11年的周期，大約每11年達到一次太陽活動峰值，在太陽活動峰年期間容易發(fā)生強太陽風暴。這種太陽活動周期的另一個特點是如果前一個太陽活動周的下降期特別長，下一個太陽活動周的上升期可能特別短，可能達到的峰值也異常大。1859年的超級太陽風暴正是發(fā)生在這種情況。2009年也是類似，上一個太陽活動周的下降期按趨勢應(yīng)該在2007－2008年結(jié)束，并開始新一輪活動周的上升期，但直到2009年，新一輪太陽活動仍未有上升的跡象，這與1859年前后的太陽活動特征很相似，因此科學家們警告在新一輪太陽活動峰年，也就是2012年可能發(fā)生前所未有的超級太陽風暴。

3結(jié)語

雖然2012年預言并未成真，人類這次躲過一劫，但在不久的將來是否會出現(xiàn)和1859年同樣級別甚至更強的太陽風暴呢？如果真的來襲，人類又該如何應(yīng)對呢？專家指出，要應(yīng)對太陽風暴，首先需要提高對太陽活動的預報能力，其次需要了解太陽風暴可能給地球帶來的影響。近30年來，越來越多的天文望遠鏡和成像儀等高科技觀測設(shè)備被用于太陽表面的監(jiān)測和研究，人們對太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽活動特征的了解日益深入，對太陽爆發(fā)事件的預測能力越來越強，但由于缺乏對太陽內(nèi)部物理過程的觀測，太陽活動的物理本質(zhì)仍然難以深入理解。另一方面，人類對地球空間環(huán)境的認識也日益完善，但仍有很多現(xiàn)象難以解釋其物理本質(zhì)。

作者：劉仁宇單位：武漢大學附屬中學高三3班