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人文科普：让美国总统如临大敌的，是来自太阳的ta

来源：科普中国-科普融合创作与传播

发布时间：2020-11-12

浏览次数：2712

在人们的印象中，美国总统关心的都是大选的得票率、美军航母的部署位置和大国间关系的处理这类政治领域的事务，除非外星人某天真的如电影里那样入侵地球（目前我们依旧没有发现外星人），美国总统似乎很难与太空中发生的事情发生联系。
然而，2016年10月，时任美国总统的奥巴马签署了题为《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，要求NASA和国防部、国土安全部、内政部、商务部等部门一起，为应对太阳风暴所带来的危害做好准备。面对给予我们光和热的太阳，美国总统为何如临大敌？以下几个袭击地球的超强太阳风暴，会为您给出这个问题的答案。
奇妙现象：1859年的“卡灵顿事件”
1859年9月1日，英国天文学家理查德·卡灵顿（Richard Carrington）正在像往常一样进行太阳黑子的观测。在当时，太阳黑子的观测是通过一种投影方法进行的。通过在望远镜后面连接一个涂抹了特殊涂料的玻璃片，太阳的影像在经过望远镜的光路后，就会被投射到玻璃片上。太阳黑子所在的区域的亮度低于其他区域，天文学家通过辨别太阳投影上的较暗区域的位置，就能对黑子进行记录。
在观测进行过程中，卡灵顿突然发现，投影图像上一个巨大的黑子区域出现了强烈的闪光。闪光持续一段时间后，甚至烧坏了投影用的玻璃底板，卡灵顿不得不叫观测助手赶紧换上来一块新底板以继续观测。
当意识到这是一种前所未见的天文现象后，卡灵顿跑出观测室，心急火燎地叫来其他天文学家一起见证这一奇观。然而仅仅过了一分钟后，当众人回到望远镜前时，强烈的闪光却已经消失了。

Richard Carrington (05/26/1826–11/27/1875)（图片来源：www.thefullwiki.org）

卡林顿在1859年9月1日的素描的太阳黑子。A和B标记了一个强烈的明亮事件的初始位置，该事件在消失之前经过五分钟的时间移动到C和D。（图片来源：维基百科）
按照今天我们对太阳爆发的认识，卡灵顿当时观察到的是一种名叫“太阳耀斑（solar flare）”的太阳爆发现象。
太阳耀斑是太阳大气中能量剧烈释放的局部爆发现象，表现为太阳表面强烈而急促的增亮。耀斑爆发的能量释放过程一般在几秒到几分钟内即可完成，可以引起太阳辐射能谱中从长波射电到gamma射线、跨越17个波长量级的辐射增强，一次强太阳耀斑释放的能量相当于数百颗威力巨大的氢弹同时爆炸。
现在，我们观测耀斑的主要手段是利用太空中的卫星，在不受大气层遮挡的情况下观察耀斑在X射线、极紫外等人眼无法识别的波段进行观测。而像卡灵顿遇到的那样，能够通过肉眼识别出来的白光耀斑，是耀斑家族中能量释放最剧烈的一类。

在2014年10月26日爆发的巨型耀斑（图片来源：NASA/SDO）
强烈的耀斑一般伴随着另一种剧烈的爆发现象——日冕物质抛射（coronal mass ejection，简称CME）。

NASA发射的SDO卫星在极紫外波段观测到的一次日冕物质抛射（图片来源：NASA）
夏季北京的傍晚常有强烈的雷雨发生。当雷雨到来前，我们首先会看到远方乌云中的闪电，一段时间后，狂风便会夹杂着骤雨侵袭而来。
在较强的太阳爆发中，耀斑和闪电类似，而日冕物质抛射和狂风骤雨类似。“卡灵顿事件”中的日冕物质抛射，仅花了17个小时左右就到达了地球，比一般的日冕物质抛射快了好几倍，引起地球磁场的剧烈颤动。当时，英国皇家学会刚刚安装了能够自动测量记录地磁场变化的仪器。

英国皇家协会记录下的“卡灵顿事件”中地磁场的强烈波动（图片来源： British Geological Survey）
英国地球物理学家鲍尔弗·斯特沃特（Balfour Stewart）通过分析地磁数据，将地磁场的变化和卡灵顿观测到的太阳耀斑联系了起来，开创了日地物理学和空间天气学研究的先河。

Balfour Stewart (11/01/1828–19/12/1887)（图片来源：维基百科）
在此之前，天文学家和地球物理学家只关心太阳和地球本身的变化，而在这次被称为“卡灵顿事件”的太阳风暴过程中，科学家们开始在太阳活动和地球空间环境的变化间建立联系。
1859年的人类社会，离电气化时代尚远，因此这次太阳风暴带给人们的更多的是奇妙的自然景观。强度较低的太阳风暴只会在地球的南北两极附近产生极光，随着太阳风暴的强度的增高，极光的可见范围会逐渐向地球赤道方向扩展。

美丽的极光，拍摄于俄罗斯Ryazan地区（图片来源：rt.com）
在“卡灵顿事件”中，美国全境都可以在夜间观察到极光现象，在美国西北部地区，明亮的极光甚至可以让人们在夜间轻松地看报。在落基山脉，明亮的极光让矿工们误认为新的一天已经到来，在午夜起床准备早饭。
有些美国人对这种奇观表现出恐惧，但更多美国人被绚烂的极光所吸引，记录下了他们观察到的极光形态。在距离地球赤道更近的夏威夷、墨西哥等地，也有极光观测的记录。在我国河北省石家庄市栾城区的地方志《栾城县志》中，也有一段对这次事件中极光现象的记录：“清官咸丰九年……,秋八月癸卯夜，赤气起于西北，亘于东北，平明始灭。”
然而，也有一些人切身感受到了太阳风暴对人类活动的影响。当时，用于远距离通信的电报网络已经初具规模。在地磁暴发生时，地磁场巨大的变化会在输送电报的长距离线路中产生地磁感应电流。在“卡灵顿事件”之前，电报员们就已经注意到，一旦极光活动增强，电报信号中便会出现一些莫名其妙的错误电码，使得电报网络在一段时间内无法正常工作，这便是地磁感应电流在作怪。
在“卡灵顿事件”期间，地磁感应电流比以往更加强烈，没有了之前干扰电报传输的起伏，反倒使费城和波士顿间的电报线路，在关闭电源后仍能依靠来自天空中的地磁感应电流继续工作。
在美国首都华盛顿特区，一个倒霉的电报员亲身体验了太阳风暴的威力：他在工作过程中，一只手抚摸着连接着电报线路的铁盘，而额头恰好接近了接地线。他的前额处随即出现了电火弧，强烈的电击涌过了他的身体。好在这位电报员并没有什么大碍，之后还能清晰的回忆起当时的经历。
大停电：1989年3月的太阳风暴
1989年，太阳进入了第22太阳活动周期（Solar Cycle 22,简称SC22）的上升期，太阳黑子开始不断在太阳表面浮现。
太阳黑子是指，太阳的光球表面有时会出现一些暗的区域，它是磁场聚集的地方。黑子是太阳表面在可见光波段可以观察到的最显著的现象，一个中等大小的黑子大概和地球的大小差不多。3月，一个巨大的黑子群出现在了太阳观测设备的视野中，其大小大概相当于54个地球。不少当时的空间天气研究人员和预报员都表示，这是他们有生之年第一次目睹如此巨大的黑子群。

第24个太阳活动周期（SC24）的黑子群AR12192，与SC22相比还是小很多（图片来源：www.thesuntoday.com）
在随后的3月6日至19日中，这个黑子群上共发生了多达195次耀斑爆发，其中有11次为极其强烈的X级耀斑。3月10日，美国的SMM卫星探测到了太阳上的一个强CME爆发正向地球涌来。在计算CME从太阳传播到地球所需要的时间后，美国空间环境中心（SEC，现已更名为空间天气预报中心，即SWPC）将3月12日至13日的地磁活动活动水平预报为“较强”。
据事后统计，在本次事件期间，该中心共向北美地区发出了多达415份一般预报和37份紧急警报，但由于其他工业部门对空间天气效应了解与准备不足，还是酿成了一次损失重大的停电事故。
3月13日，在CME造成的强地磁暴开始后不久，强大的地磁感应电流使得加拿大魁北克省詹姆士湾地区电网中的七个电压调节设备在59秒内相继失效。电网中的电压随即出现了约15%的波动。
电压的突然变化引起了电网中的多米诺骨牌效应：向蒙特利尔输电的五条高压输电线瘫痪，有些输电线上还出现了电火花，令电网损失了9450MW的功率，从而让电网正常工作的其他部分进入了超负荷状态。在希布加莫，两台大型变压器因此退出服务。丘吉尔瀑布发电厂和马尼夸根-乌塔尔德发电厂因为超负荷保护而自动停止工作。在90秒内，魁北克地区的电网彻底崩溃，除了无法继续为本区内19400MW的负荷供电外，魁北克电网输送给新英格兰地区电网的1325MW功率也无以为继。

强地磁暴造成电网崩溃（图片来源：Market Business News）
电网的崩溃使超过六百万居民失去了供电，占了当时加拿大总人口数的近四分之一。当时，正值加拿大的严寒季节，电力系统的崩溃给加当地人民生活带来了很大不便。为了恢复供电，魁北克电网不得不请求北美其他电网系统支援，通过应急购买其他电网电能的方式进行抢险。但即便在采取措施的情况下，仍有约17%的用户在9小时后无法恢复供电，需要继续等待好几天才重新有电可用。
据统计，这次太阳风暴给魁北克电网造成了一千万美元的直接损失，而停电给用户造成的间接损失则高达数亿美元。在后来电力行业召开的业内会议上，北美地区的电网运营人员发现了一个更令人恐惧的事实：由于魁北克省的电网系统与美国东北部地区的电网是相连接的，魁北克电网的崩溃也给美国东北部地区的电网造成了压力。
如果地磁暴的影响再强烈一些，包括纽约、波士顿、费城和首都华盛顿在内的美国东北部地区的电网也将崩溃。相比地广人稀的加拿大，美国东北部地区的人口则相当稠密，造成的影响和损失也将更大。

灯光密集的美国东部（图片来源：NASA）
1989年3月的太阳风暴第一次真切地影响到了普罗大众的生活，人们开始认识到，空间天气并非只是学者们关心的自然现象，更是与人们的日常生活与社会正常运行息息相关的领域。
然而，超强太阳风暴的故事并未到此结束。在2003年万圣节期间，超强太阳风暴的再次袭击让人们体验到了恶劣的空间天气对人类社会的全方位影响。欲知后事如何，且听下回分解。
（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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