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自然科普： 超强太阳风暴来临时 地球上任何一个超级大国都承受不了
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在奥巴马签署的题为《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》的总统行政命令中，美国政府认识到，空间天气所威胁的，不只是地球之外的环境，还会在国家层面上对关键基础设施和技术产生影响。而美国政府对极端空间天气事件的重视，很大程度上来源于2003年万圣节期间超级太阳风暴对人类社会所依赖的各个高技术系统的全面影响。
全面影响：2003年的“万圣节事件”
2003年，太阳进入了第23太阳活动周的极大期，太阳表面的黑子数达到了11年以来的极大值，从而使太阳进入了异常活跃的状态。2003年10月末至11月初，太阳上的一系列爆发事件给地球的空间环境带来了灾害性的影响。由于这些爆发事件的发生时间恰好与西方的万圣节重合，研究者普遍将这次爆发事件称之为“万圣节事件”。
相比于1989年，人类社会的现代化程度已经有了质的提升，有更多的领域容易受到恶劣的空间天气影响。同时，从太空到地面更加完善的空间天气观测设施，也让研究者们能够更全面观察超强太阳风暴发生和发展的过程。
“万圣节事件”电磁辐射的观测记录，多日超出辐射警报值（图片来源：www.greatdreams.com）
“万圣节事件”期间NASA的SOHO卫星在不同波段拍摄到的一次耀斑爆发现象。（图片来源：NASA）
2003年10月18日至11月8日，太阳上的三个大黑子群总共产生了143次耀斑爆发和80次日冕物质抛射(CME)爆发。在这143次耀斑爆发中，11月4日爆发的X28级耀斑是有耀斑卫星观测以来记录到的最强耀斑。实际上，这个耀斑的巨大辐射超过了相关卫星上测量设备的量程，X28的级别并非来自准确的探测，而是根据探测曲线外推做出的推断。
有研究者根据地球受该耀斑袭击后的反应推测，该耀斑的实际级别可能高达X45。在80次CME爆发中，对地球影响最为严重的是10月28日和10月29日相继爆发的两次CME。这两个CME每个的威力都十分强大，而他们在“相互配合”侵袭地球的过程中，第一个CME为第二个扫清了前进道路上的障碍，使得第二个CME能够以更加剧烈的方式，影响地球附近的空间天气状况。
耀斑和CME所带来的高能粒子，像是太空中看不见的“子弹”，威胁着航天员的生命安全和卫星器件的正常工作。在航天领域，在类似“卡灵顿事件”的情况下，为了防止在国际空间站上工作的宇航员遭受高能粒子带来的过量辐射，地面控制人员命令宇航员们进入防护能力更强的舱段避险，并关闭了国际空间站上的一些设施。
MeV能级以上的高能粒子能够击穿卫星的外壳，使卫星电子器件中的信号状态发生变化，引发卫星工作的异常。在磁层亚暴期间，中等能量的电子还可能使卫星表面出现充电现象，进而引发阻碍卫星正常工作的信号噪声，甚至可能通过放电在对卫星期间造成物理损坏。
ACE卫星是部署在太阳和地球连线上一个固定位置的空间天气探测任务，它就像一位警觉的“哨兵”，为人类源源传来太阳风暴即将吹拂地球警报。但在本次事件中，这位“哨兵”却在高能粒子的侵袭下不幸"受伤"了。ACE卫星的SWEPAM仪器在此次爆发期间，由于耀斑高能粒子对观测数据的污染而无法正常产生太阳风等离子体观测数据。
此外，日本的地球观测卫星ADEOS-2与因地面失去联系而报废，在火星附近工作的美国科学探测卫星火星奥德赛号的MARIE仪器报废。还有诸多卫星采取关机或进入安全模式等方式，暂停正常工作以规避恶劣空间天气带来的危险。
磁层是地球抵御太阳风侵袭的“保护罩”，它的存在使太阳风无法直接吹拂靠近地面的区域。火星由于缺乏内禀磁场，没有形成结构明显的磁层“保护罩”，其大气层在太阳风的吹拂下不断被剥离，因此火星的大气相当稀薄，其密度还不到地球大气密度的百分之一。
在“卡灵顿事件”中，由于太阳风暴的速度和动能非常大，使磁层这个“保护罩”向后节节败退，被压缩到了地球静止轨道以内。静止轨道是转播电视信号的通信卫星及一些气象卫星所在的轨道，磁层的压缩使这些卫星直接暴露在了太阳风的吹拂之下，工作环境变得相当危险。
此外，这些气象卫星在正常工作时需要依靠与地球磁场的相互作用来调整卫星的姿态。磁场环境的巨大变化使这种姿态维持功能不能继续正常工作。
太阳风和地球磁场的相互作用会形成地球磁层，从而阻碍太阳风直接吹拂地球的大气层。（图片来源：NASA）
由于耀斑和地磁暴引发的电离层扰动，GPS导航定位信号传输路径上的电离层电子含量（TEC）会发生比较大的变化，对GPS信号的传输造成影响，进而影响GPS系统的定位精度。
在“万圣节事件”期间，依赖于高精度GPS定位进行的大地测绘、产权边界分析、钻井钻探等应用则不得不暂停了工作。基于高精度GPS定位的军事行动也受到影响，高精度打击武器无法正常使用。
往来于东亚（如北京、首尔、东京）和北美东海岸（如纽约、华盛顿）的航班，为了减少飞行距离，一般选择飞跃北极上空的航线。在没有陆地的北极地区，无法为空中交通管制常用的甚高频（VHF）信号设置通信基站，因此一般采用能够长距离传输的高频（HF）无线电进行通信。耀斑爆发引起的地球附近X射线通量增加，会引起电离层状态的扰动，进而影响HF无线电的传播，引发极区航班的通信中断。
越来越多的国际航班飞越地球北极以节省时间和燃料（图片来源：science.nasa.gov）
由于北纬82度以上的地区也是民航卫星通信系统的盲区，航空管制当局在“万圣节事件”期间要求采用北极航线的航班改用纬度较低的飞行路径以保证通信畅通，增加了航班的飞行时间和燃油消耗。
现代喷气式客机的正常飞行高度一般在10000米左右，以达到最低的油耗水平。随着飞行高度的增加，大气层对太阳高能粒子和银河宇宙线辐射的阻挡作用越来越弱，机组人员和乘客在飞行中所受到的辐射剂量因此会随着高度的增加而增加。在大部分时间里，普通乘客因为乘坐飞机而额外受到的辐射剂量很低，不会对健康造成影响。但在强烈的耀斑和地磁暴期间，北极等高纬度地区高空辐射剂量显著增加，为了保证机组人员和乘客的健康，航空管制当局也要求飞行在磁北纬35度以上的航班巡航高度不得高于7620米（25000英尺），又增加了飞行油耗。
在1989年的大磁暴中引发魁北克停电的地磁感应电流效应，也没有“缺席”本次太阳风暴过程。有了1989年大磁暴的前车之鉴，北美地区的电网运营人员在收到预警后小心谨慎地采取了相当多的措施予以应对。
在电网中，虽然探测到了较强的地磁感应电流，也有一些供电设备暂时失效，但由于应对得当，北美地区没有出现大规模的停电现象。但在北欧的瑞典地区，一个核电在的大型变压器因太阳风暴影响而过热停运，导致部分地区停电一小时。
“万圣节事件”给人类社会带来的全方位影响，再次引发政策制定者、媒体和大众对空间天气的关注。在“万圣节事件”期间，美国空间环境中心人员总共接受了一百次以上的媒体采访，其网页的日访问量从平时的每天50万次一跃上升到每天1900万次。
严重灾害：未来某天
就像我们可以用震级或风级来描述地震和台风的危害程度一样，太阳风暴的强烈程度可以用地磁场的Dst指数描述，Dst指数越小（绝对值越大），则太阳风暴的危害程度就越强烈。1989年的强太阳风暴，Dst指数达到了−589 nT，2003年“万圣节事件”期间，Dst指数达到了-465nT。而根据近些年的研究，1859年的“卡灵顿事件”期间，Dst指数可能达到了-1750nT！
根据英国保险业巨头劳埃德（Lloyd）公司的空间天气风险评估报告估计，如果同样规模的超强太阳风暴发生在今天，在现有技术条件下，仅电力设施被毁一项就可以给北美地区造成2.6万亿美元的巨额损失。
劳埃德（Lloyd）公司的空间天气风险评估报告封面(图片来源：www.lloyds.com)
损失之所以大的惊人，是因为超强太阳风暴可以摧毁发电厂、高压变电站中的大量大型核心变压器。这些变压器大都是根据发电厂和输电线路的具体情况量身定制的，一旦损坏后需要重新生产，没有可以立即更换的备件，因此恢复电力可能需要长达一年的时间。在此期间，所有的电脑无法开机、手机失去信号、工厂的机器无法运转，所有的生产部门进而停运，供水、排水、医疗、交通等基础设施也无法为人们的日常生活提供正常的服务。
2012年7月，太阳上的一次大爆发与地球擦肩而过，如果这次爆发提早一个星期发生，它就会击中地球，其威力与“卡灵顿事件”相当。
因此，在未来的某天，地球遭遇超强太阳风暴的再次袭击是肯定的。到那时，我们是在其巨大的威力下遭受严重损失，还是能采取有效措施规避其带来的危害，全仰仗今天我们对空间天气研究与应用的投入。
（本文中标明来源的图片均已获得授权）
出品：科普中国
制作：中国科学院国家空间科学中心 李会超
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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全面影响：2003年的“万圣节事件”
2003年，太阳进入了第23太阳活动周的极大期，太阳表面的黑子数达到了11年以来的极大值，从而使太阳进入了异常活跃的状态。2003年10月末至11月初，太阳上的一系列爆发事件给地球的空间环境带来了灾害性的影响。由于这些爆发事件的发生时间恰好与西方的万圣节重合，研究者普遍将这次爆发事件称之为“万圣节事件”。
相比于1989年，人类社会的现代化程度已经有了质的提升，有更多的领域容易受到恶劣的空间天气影响。同时，从太空到地面更加完善的空间天气观测设施，也让研究者们能够更全面观察超强太阳风暴发生和发展的过程。
“万圣节事件”电磁辐射的观测记录，多日超出辐射警报值（图片来源：www.greatdreams.com）
“万圣节事件”期间NASA的SOHO卫星在不同波段拍摄到的一次耀斑爆发现象。（图片来源：NASA）
2003年10月18日至11月8日，太阳上的三个大黑子群总共产生了143次耀斑爆发和80次日冕物质抛射(CME)爆发。在这143次耀斑爆发中，11月4日爆发的X28级耀斑是有耀斑卫星观测以来记录到的最强耀斑。实际上，这个耀斑的巨大辐射超过了相关卫星上测量设备的量程，X28的级别并非来自准确的探测，而是根据探测曲线外推做出的推断。
有研究者根据地球受该耀斑袭击后的反应推测，该耀斑的实际级别可能高达X45。在80次CME爆发中，对地球影响最为严重的是10月28日和10月29日相继爆发的两次CME。这两个CME每个的威力都十分强大，而他们在“相互配合”侵袭地球的过程中，第一个CME为第二个扫清了前进道路上的障碍，使得第二个CME能够以更加剧烈的方式，影响地球附近的空间天气状况。
耀斑和CME所带来的高能粒子，像是太空中看不见的“子弹”，威胁着航天员的生命安全和卫星器件的正常工作。在航天领域，在类似“卡灵顿事件”的情况下，为了防止在国际空间站上工作的宇航员遭受高能粒子带来的过量辐射，地面控制人员命令宇航员们进入防护能力更强的舱段避险，并关闭了国际空间站上的一些设施。
MeV能级以上的高能粒子能够击穿卫星的外壳，使卫星电子器件中的信号状态发生变化，引发卫星工作的异常。在磁层亚暴期间，中等能量的电子还可能使卫星表面出现充电现象，进而引发阻碍卫星正常工作的信号噪声，甚至可能通过放电在对卫星期间造成物理损坏。
ACE卫星是部署在太阳和地球连线上一个固定位置的空间天气探测任务，它就像一位警觉的“哨兵”，为人类源源传来太阳风暴即将吹拂地球警报。但在本次事件中，这位“哨兵”却在高能粒子的侵袭下不幸"受伤"了。ACE卫星的SWEPAM仪器在此次爆发期间，由于耀斑高能粒子对观测数据的污染而无法正常产生太阳风等离子体观测数据。
此外，日本的地球观测卫星ADEOS-2与因地面失去联系而报废，在火星附近工作的美国科学探测卫星火星奥德赛号的MARIE仪器报废。还有诸多卫星采取关机或进入安全模式等方式，暂停正常工作以规避恶劣空间天气带来的危险。
磁层是地球抵御太阳风侵袭的“保护罩”，它的存在使太阳风无法直接吹拂靠近地面的区域。火星由于缺乏内禀磁场，没有形成结构明显的磁层“保护罩”，其大气层在太阳风的吹拂下不断被剥离，因此火星的大气相当稀薄，其密度还不到地球大气密度的百分之一。
在“卡灵顿事件”中，由于太阳风暴的速度和动能非常大，使磁层这个“保护罩”向后节节败退，被压缩到了地球静止轨道以内。静止轨道是转播电视信号的通信卫星及一些气象卫星所在的轨道，磁层的压缩使这些卫星直接暴露在了太阳风的吹拂之下，工作环境变得相当危险。
此外，这些气象卫星在正常工作时需要依靠与地球磁场的相互作用来调整卫星的姿态。磁场环境的巨大变化使这种姿态维持功能不能继续正常工作。
太阳风和地球磁场的相互作用会形成地球磁层，从而阻碍太阳风直接吹拂地球的大气层。（图片来源：NASA）
由于耀斑和地磁暴引发的电离层扰动，GPS导航定位信号传输路径上的电离层电子含量（TEC）会发生比较大的变化，对GPS信号的传输造成影响，进而影响GPS系统的定位精度。
在“万圣节事件”期间，依赖于高精度GPS定位进行的大地测绘、产权边界分析、钻井钻探等应用则不得不暂停了工作。基于高精度GPS定位的军事行动也受到影响，高精度打击武器无法正常使用。
往来于东亚（如北京、首尔、东京）和北美东海岸（如纽约、华盛顿）的航班，为了减少飞行距离，一般选择飞跃北极上空的航线。在没有陆地的北极地区，无法为空中交通管制常用的甚高频（VHF）信号设置通信基站，因此一般采用能够长距离传输的高频（HF）无线电进行通信。耀斑爆发引起的地球附近X射线通量增加，会引起电离层状态的扰动，进而影响HF无线电的传播，引发极区航班的通信中断。
越来越多的国际航班飞越地球北极以节省时间和燃料（图片来源：science.nasa.gov）
由于北纬82度以上的地区也是民航卫星通信系统的盲区，航空管制当局在“万圣节事件”期间要求采用北极航线的航班改用纬度较低的飞行路径以保证通信畅通，增加了航班的飞行时间和燃油消耗。
现代喷气式客机的正常飞行高度一般在10000米左右，以达到最低的油耗水平。随着飞行高度的增加，大气层对太阳高能粒子和银河宇宙线辐射的阻挡作用越来越弱，机组人员和乘客在飞行中所受到的辐射剂量因此会随着高度的增加而增加。在大部分时间里，普通乘客因为乘坐飞机而额外受到的辐射剂量很低，不会对健康造成影响。但在强烈的耀斑和地磁暴期间，北极等高纬度地区高空辐射剂量显著增加，为了保证机组人员和乘客的健康，航空管制当局也要求飞行在磁北纬35度以上的航班巡航高度不得高于7620米（25000英尺），又增加了飞行油耗。
在1989年的大磁暴中引发魁北克停电的地磁感应电流效应，也没有“缺席”本次太阳风暴过程。有了1989年大磁暴的前车之鉴，北美地区的电网运营人员在收到预警后小心谨慎地采取了相当多的措施予以应对。
在电网中，虽然探测到了较强的地磁感应电流，也有一些供电设备暂时失效，但由于应对得当，北美地区没有出现大规模的停电现象。但在北欧的瑞典地区，一个核电在的大型变压器因太阳风暴影响而过热停运，导致部分地区停电一小时。
“万圣节事件”给人类社会带来的全方位影响，再次引发政策制定者、媒体和大众对空间天气的关注。在“万圣节事件”期间，美国空间环境中心人员总共接受了一百次以上的媒体采访，其网页的日访问量从平时的每天50万次一跃上升到每天1900万次。
严重灾害：未来某天
就像我们可以用震级或风级来描述地震和台风的危害程度一样，太阳风暴的强烈程度可以用地磁场的Dst指数描述，Dst指数越小（绝对值越大），则太阳风暴的危害程度就越强烈。1989年的强太阳风暴，Dst指数达到了−589 nT，2003年“万圣节事件”期间，Dst指数达到了-465nT。而根据近些年的研究，1859年的“卡灵顿事件”期间，Dst指数可能达到了-1750nT！
根据英国保险业巨头劳埃德（Lloyd）公司的空间天气风险评估报告估计，如果同样规模的超强太阳风暴发生在今天，在现有技术条件下，仅电力设施被毁一项就可以给北美地区造成2.6万亿美元的巨额损失。
劳埃德（Lloyd）公司的空间天气风险评估报告封面(图片来源：www.lloyds.com)
损失之所以大的惊人，是因为超强太阳风暴可以摧毁发电厂、高压变电站中的大量大型核心变压器。这些变压器大都是根据发电厂和输电线路的具体情况量身定制的，一旦损坏后需要重新生产，没有可以立即更换的备件，因此恢复电力可能需要长达一年的时间。在此期间，所有的电脑无法开机、手机失去信号、工厂的机器无法运转，所有的生产部门进而停运，供水、排水、医疗、交通等基础设施也无法为人们的日常生活提供正常的服务。
2012年7月，太阳上的一次大爆发与地球擦肩而过，如果这次爆发提早一个星期发生，它就会击中地球，其威力与“卡灵顿事件”相当。
因此，在未来的某天，地球遭遇超强太阳风暴的再次袭击是肯定的。到那时，我们是在其巨大的威力下遭受严重损失，还是能采取有效措施规避其带来的危害，全仰仗今天我们对空间天气研究与应用的投入。
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