[太阳系] 如果发生严重太阳爆发我们会安然无恙吗?


  卡灵顿在1859年超级耀斑爆发当天的记录手稿


  2015年6月17日~18日发生的一次日冕物质抛射(CME)事件


  新浪科技讯 北京时间9月28日消息,据英国广播公司(BBC)网站报道,这原本可能只是一个普普通通的夏日夜晚。但在1859年8月29日晚上8点,美国新奥尔良地区的居民们意识到一定发生了什么不寻常的事情。整个夜空都在闪烁着绿色光芒,火星四溅,仿佛下起了火雨。


  很快,这夜空中的“火焰”转变为一种血红的颜色,照亮了街道,房屋和人们惊恐的脸。那个夜晚,东到夏威夷,西至伦敦的人们都目睹了夜空中这不可思议的一幕。


  有些人认为这是上帝的旨意,或是饥荒即将来临或是一场革命即将发生的预兆。而那些稍具科学头脑的人们则猜想这种情况或许与天气现象有关,或许这与寒潮活动有关。


  2012年8月31日,太阳表面发生的一次强烈耀斑爆发


  2003年10月28日发生的一次太阳爆发事件


  卡灵顿事件


  事实上,这的确是天气,但这是另外一种天气——空间天气。就在大约17小时之前,一名英格兰天文学家理查德·卡灵顿(Richard Carrington)正在描绘日面黑子图,突然间他注意到日面上出现了一次明显的闪光过程,但很快就消失了。


  卡灵顿意识到这件事非同寻常,并且这两件事情在时间上非常巧合。但在一开始他对于将这两个事件联系在一起仍然感到犹豫——一场由太阳发出的风暴所驱动的太空光电秀?毕竟这样的想法怎么说都太不可思议了!


  但在经过反复考虑后,卡灵顿仍然决定将这两次事件联系到一起,并且在多年之后证明,他这样做是正确的。我们倾向于把太阳看做是一个永恒的宇宙灯塔,日复一日,一个世纪接着一个世纪平稳地为我们提供光热。而卡灵顿意识到,太阳的真实情况可能要比我们原先想象的要狂暴的多。


  引发这场照亮夜空事件的元凶是太阳上发生的一次剧烈爆发,其释放的能量相当于100亿颗原子弹当量。在我们太阳系中,这是近500年来最为剧烈的一次爆发事件。现在,这一事件被称作“卡灵顿事件”,这是一次极为极端的空间天气事件,所谓“空间天气”主要是指由于太阳活动造成了空间环境变化情况。太空是一个充满敌意的地方,一个电磁风暴,太阳风,电子流,等离子云和剧烈辐射肆虐的世界。


  根据英国宇宙在2015年7月发表的最新报告,如果当前再次发生一次“卡灵顿事件”,那么它将可能引发灾难性的混乱。我们的卫星通讯将可能中断,GPS导航失效并引发全球性的大断电,并且可能持续一年以上的时间。我们将不再能够收听广播,观看电视,没有手机信号,没有互联网,所有插电使用的电器都将失效。


  火车将会停运,路灯全部熄灭。由于没有GPS导航,航班将全部停运,并且因为人类社会的大部分资金都是以电子数据的形式存储在银行数据库中,因此我们的钱也将所剩无几。一句话,这样的灾难将会摧毁人类社会,造成数万亿美元的巨大损失。


  太阳每天的日常变化不会造成严重的问题,这是因为地球拥有可以保卫自身的磁场。你或许感受不到地球磁场的存在,但如果没有地球磁场,你将不能存活。我们用美国宇航员克里斯·哈特菲尔德(Chris Hadfield)的话来举一个例子。克里斯在2012年至2013年期间在国际空间站上度过了145天,并且在所有醒着的时间里都非常忙碌的开展各项工作。他说:“在太空中,如果你闭上眼睛然后等待,你几乎肯定会时不时看到一道闪光。”


  每一次这样的闪光都是宇宙射线造成的,这是宇宙深处的高能粒子,这些粒子穿透国际空间站的舱壁并直接撞击你的视网膜,并在你的大脑中激发一次闪光的信号。


  哈特菲尔德表示:“这些宇宙射线可能来自太阳,也可能来自宇宙中其他的恒星。这些粒子流穿越了广袤的时空,而你实际上用你自己的视觉系统直接‘看到’了这种辐射。”


  由于太阳比任何其他恒星都更加靠近我们,相比其他恒星,太阳对我们造成的影响就要大得多。


  冰岛上空的北极光


  一次剧烈的日冕物质抛射事件对地球磁场造成的冲击


  耀斑与日冕物质抛射


  在学校里,我们被教育说太阳是一个气体球,但严格来说这种说法不正确。实际上,太阳是由等离子体组成的:由于温度极高,组成太阳的气体原子已经完全电离,成为带电粒子。


  听到等离子体的说法似乎会让很多人觉得非常陌生,但实际上并非如此。我们家里用的荧光灯灯管中和等离子电视中都存在着这种物质,唯一不同的是相比之下,太阳表面的温度要高得多,超过5500摄氏度。在一个平静的白天里,这些具有破坏性的的“蒸汽”从太阳表面向四面八方发出,一直向前抵达海王星轨道之外——超过日地距离的100倍以上。


  但在某些时候,太阳也会显出它狂暴的一面。和地球一样,太阳也有自己的磁场。太阳磁场也和地球一样拥有南北磁极,在两极之间由磁感线相互连接。


  随着太阳自转,组成太阳的等离子体物质同样会随之运动,而由于太阳并非一个固体球,其不同纬度上的自转速度存在差异,而转动速度较大的赤道地区就有可能造成磁感线的扭曲缠绕。在太阳黑子发生的区域,磁感线的扭曲缠绕达到极限,以至于堆积突破日面,在此过程中将一股等离子体物质也向上带起。而有些时候磁感线被绷紧到极限,随后发生突然的断裂。此时就会发生耀斑现象。耀斑是太阳系内最为剧烈的爆发现象之一,发生在太阳大气层中的这种爆发事件会释放出强烈辐射。这种辐射以光速传播,只需8分钟便可抵达地球,而这正是卡灵顿当时在日面上所看到的的那道强烈闪光。


  紧接着太阳上又发生了第二次爆发事件:一次日冕物质抛射(CME),简单说就是一股包含数十亿吨等离子体物质的强烈粒子流。在一次CME爆发事件中,粒子流将需要数小时时间才能挣脱太阳表面,而一旦挣脱,它将以每小时700万英里(约合1126万公里)的速度高速前进。在1859年的那次事件中,这股强大的带电粒子流只用了大约17小时便抵达了地球。


  所有这些爆发事件都有可能会对地球产生显著影响。但在此之前我们必须先澄清一件事:美国宇航局非常明确的表示过:即便是在最为极端的情况下,太阳耀斑爆发所释放的能量都不足以摧毁地球。


  在这样的太阳爆发面前,最明显的影响其实将是壮丽的极光秀,在夜空中舞动的绚烂光影。在正常情况下,极光只能在南北两极的高纬度地区观赏,但一次强烈的CME爆发事件有时可以让全世界各地的人们全都目睹极光的出现。


  强烈的太阳爆发将对地球产生显著影响


  SOHO探测器拍摄的太阳爆发景象


  当一次CME爆发中携带的大量等离子体物质抵达地球时,它们将强烈冲击地球高层大气原子。这样的冲击作用将造成气体原子的电离,使其短暂性地成为等离子体。但很快原子就会重新恢复原样,并在此过程中产生发光现象。


  “正常”情况下的极光是由稳定的太阳风粒子流引发的,一年之中基本上每天都持续的发生着。但欣赏这些极光的最佳位置其实是从地球轨道上。


  哈特菲尔德表示:“当我在国际空间站上出舱执行太空行走任务时,实际上我正漫步在南极光之中。太阳巨大力量的光影展示在我的身边弥漫。”


  而太阳爆发的另外一项后果则远没有这么浪漫。


  带电粒子流的冲击作用会造成地球磁场的剧烈扰动,形成所谓“地磁暴”,持续时间一般为6~12小时。在此期间,快速变动的地球磁场会在任何近地面的导体内产生电流,其中包括电话线以及输电线路,海底电缆,石油以及天然气管道等等。一旦这股电流进入输电网系统,将会引起电流过载和跳闸,从而引发大面积断电。


  在1859年,世界各国还没有建立起现代电网。因此当时的那次事件造成的破坏主要是电话线路的起火,电话线路在19世纪的意义就相当于现在的互联网线路,电话线路的瘫痪意味着世界范围内通讯联系的中断。电缆塔架上火星四溅,电报纸起火,电话交换机爆炸,几位不幸的接线员被炸伤。


  在美国,电报线路和输电线路出现大面积中断。在其他一些地方,接线员发现他们甚至可以直接拔掉电源线,仅仅依靠地磁暴影响产生的电流就能实现线路信号的传送。


  当时,波士顿的一名接线员发出电报:“你能收到我发出的信息吗?”很快就收到了位于波特兰的接线员回复:“比插着电源线的时候好得啦!”


  2012年1月23日太阳爆发时的情景


  2012年8月31日,日冕物质抛射(CME)


  脆弱的现代社会


  而在2015年,世界已经与1859年时的世界完全不同。现在全世界有超过80%的人口的生活需要依赖电力供应。如果此时再发生一次卡灵顿事件,那将意味着什么?


  我们可以从1989年发生的一次强度大约相当于卡灵顿事件1/3的事件中得到有关这个问题答案的一些启示,看起来情况可能不会太好。


  1989年的那次事件产生了强烈的地磁暴和强大的感应电流。这股电流最终在加拿大魁北克地区电网中发现了一处薄弱环节,在两分钟之内,整个魁北克地区全部断电。整个断电持续超过12小时,导致当地学校和商业机构全部关门,大量居民被困在电梯中,多伦多股票交易所也因此暂停营业。


  一次足够强烈的太阳爆发可以基本摧毁一个国家的电力网络。以上提到的电力系统中的这个薄弱环节被称作“超高压变压器”,其功能主要是用于将发电厂产生的高压电转换为可以供居民家用的低压电,这是我们文明社会维持的根基。


  然而不幸的是,这样的设备太过笨重,难以运输并且必须定制。建造的过程常常需要数月的时间,等到完全安装到位更是可以耗费一整年的时间,所需费用则可以高达1000万美元。因此完全可以理解电力公司不会储备数量过多的此类备件。


  而一次强烈的地磁暴引发的感应电流将可以从这种设备内部造成熔化,从而摧毁这种设备。2011年的一份评估报告认为,如果发生一次强度仅为卡灵顿事件一半的太阳爆发事件,仅在美国一地就将造成300台超高压变压器损毁,这将导致超过1.3亿人在长达12个月的时间里陷入无电可用的境地。城市备用发电设施仅能在此后数天的时间里勉强维持城市供水以及排污系统的运行。在那之后,我们将不再有干净水源的供应,排污系统也将陷入瘫痪。


  我们也将可能丢失大量资金。我们的银行系统是以电子数据的形式记录存款人账户信息的,如果在地磁暴中银行数据中心被破坏,那么数百万人的存款信息都将丢失。


  在太空中,为我们的生活便利提供导航,通讯以及天气预报服务的卫星系统将处于危险之中。高能粒子将摧毁卫星电路系统,从而导致卫星失效。


  不过哈特菲尔德表示,对于国际空间站而言这样的问题并不存在。他说:“我们对于我们的电力供应系统非常非常小心谨慎。而这类事件我们也都做了预先考虑并设计有应对方案。如果我们遭遇太阳风暴并引发短路事件,那么我们的太阳能帆板将自动与电池之间切断通路。”然而还有其他的危险。所有运行在低地球轨道的卫星,包括国际空间站以及中国的天宫一号这样的载人航天器都有可能由于遭受拖拽效应而减低轨道速度,这将导致它们面临落入地球大气层的危险。


  在一次强烈的太阳爆发过后,由于大量来自太阳的能量注入地球大气层,大气层将发生膨胀,这将导致低地球轨道附近的大气浓度增加,从而增加在这里运行的航天器面临的飞行阻力。


  哈特菲尔德表示:“浓度增加之后,低地球轨道上的卫星将会被拖拽而减速。因此,此时我们要么选择提升轨道,进一步远离地球从而避开更浓厚的大气,或者我们就只能更加频繁的启动发动机进行轨道高度维持。”


  如果国际空间站不进行这样的轨道高度维持,那么最终的结果就是它将从天空坠落。而这正是此前美国的“天空实验室”(Skylab)空间站所经历过的事情——这一价值超过22亿美元的空间站是国际空间站的先辈,不过在坠落之前它就已经停止使用了。除此之外的相似事件还有“太阳极大使者探测器”(SMM),它在1989年的太阳风暴之后不久坠落,这真是非常讽刺,因为这颗卫星的设计使命便是对这样的太阳风暴进行探测。


  额外的能量也会导致地球电离层的膨胀,而这是地球广播信号传播所必须依赖的圈层。增厚的电离层将产生湍动,从而导致信号传播的延迟。这样的延迟将产生广泛影响,比如GPS服务,其必须依赖于精度达到数十亿分之一秒的传输时间精度,这样的信号延迟对于GPS服务将是灾难性的。


  在接下来,这样的事件甚至对于生命本身都会造成直接伤害。太阳耀斑会产生各种辐射,从可见光到紫外再到X射线波段。这种爆发产生的粒子流在一般情况下会被地球磁场所阻挡,但在经历一次太阳风暴的狂轰滥炸之后,地球磁场强度将会减弱,这就给了太阳辐射的入侵以可乘之机,此时地球上来自太阳的辐射通量将会上升。


  在高空飞行的人,如乘坐航班的旅客将比地面上的居民遭受更高的辐射剂量。在2003年的一次强烈太阳耀斑爆发之后,一项针对当时高空飞行旅客遭受辐射剂量情况的研究显示,在那些途径极地上空的航班,如北京到华盛顿之间的航班上,旅客一次飞行期间遭受的辐射剂量将达到安全指标下年辐射剂量的70%!


  不过,情况也可能并非如我们所想象的那么糟糕。辐射剂量的安全指标标准是刻意保守的,事实上根本无法判断这样的低剂量辐射下对人体可能产生的影响,因为这种影响太过轻微。根据2008年发表的一项有关辐射风险的研究报告,来自太阳风暴的辐射导致旅客患上癌症并死亡的风险几率大致和我们驾车行驶186英里(约合300公里)并发生车祸死亡的几率相当,而后者是我们每天都会毫不犹豫去做的事情。


  相比之下,在太空轨道上的宇航员们所遭受的风险还要更大一些。当太阳爆发发生时,国际空间站上的辐射通量将会达到峰值,此时宇航员们将集中到空间站最核心的位置,从而尽最大可能规避高剂量的太空宇宙辐射影响。


  除了我们人类之外,其他生命也可能遭受影响。科学研究已经知道很多动物是依靠地球磁场识别方向并导航的。强烈的太阳爆发引发的地球磁场紊乱则可能使它们迷失方向。


  尽管这方面的研究很少,但的确存在。2015年的一项研究观察了空间天气对蜜蜂群落产生的影响。结果显示在3年的时间里,在太阳爆发期间迷路的蜜蜂数量是正常时期的3倍以上。


  一些长途飞行的鸟类也具有对地磁场方向的识别能力。比如知更鸟似乎就能够直接“看到”地球磁场。遗憾的是似乎到目前为止还没有人研究过太阳风暴的发生是否影响到了这种鸟类的导航能力。因此,为了以防万一,很多鸽子比赛的参赛者都会在赛事开始之前几天致电美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空间天气预报中心确认太阳风暴活动的情况,以便及时调整自己的日程安排。


  艺术示意图:冲向地球的太阳风暴


  正在太空运行的“高新化学组成探测器”(ACE)


  卡灵顿事件会再次发生吗?


  到现在为止已经可以非常清楚的确定,如果现在再次发生一次类似卡灵顿事件那样的剧烈太阳爆发将对我们的生活产生极为严重的影响,但遗憾的是我们不知道这样的事情何时会再次发生。


  太阳活动拥有大约11年的周期性,从平静的“太阳极小年”到狂暴的“太阳极大年”,然后再周而复始。因此你或许会认为强烈的耀斑爆发应该会出现在太阳极大年,但事实并非总是如此。


  英国国家气象办公室空间天气项目主管凯瑟琳·伯奈特(Catherine Burnett)表示:“这两者之间绝对不存在任何相关性。极端的太阳活动可能会发生在任何时间。事实上,当卡灵顿事件发生时正值太阳活动极小年。”


  由于像卡灵顿事件这样的极端事件极其罕见,因此在缺乏足够案例的情况下极难评估其发生的频率有多高。然而在2012年,美国加州圣迭戈“预测科学”(Predictive Science)机构的皮特·莱利(Pete Riley)仍然在这方面取得了一些进展。


  莱利从那些较为缓和的空间天气事件案例中寻找隐含的模式,并据此推断更严重事件发生的概率。根据他的估算结果,在未来10年内太阳上再次发生类似卡灵顿事件那样的严重爆发的概率大约是12%。


  不过也有好消息,那就是如果那样的事情再次发生,那么我们将会提前得到预警消息。


  太阳耀斑影响的传播速度是光速,因此当我们看到耀斑发生时,其影响已经抵达地球。因此对其开展预报的唯一途径便是估算某个太阳黑子会产生耀斑爆发的概率有多少。由于缠绕的太阳磁感线更容易被崩断,我们可以通过观察某一黑子磁场的“复杂度”来预估耀斑发生的概率高低。


  另外一个好消息则是关于日冕物质抛射(CME)的。一次CME事件抛射的物质抵达地球需要96小时。为了提早发生它们,研究人员会仔细搜索太阳的高分辨率图像,寻找太阳耀斑发生的迹象,CME通常会与太阳耀斑一同发生。


  随后科学家们就会使用超级计算机对CME抛射物质的速度和密度进行模型计算,进而计算出其抵达地球的时间并判断其是否是一次强度较高的事件。不过这样的过程仍然是不尽完善的。伯奈特表示:“事实是,我们不清楚这样一次CME事件是否会对地球造成影响,直到它即将冲击地球时,我们才会意识到地球将会遭受影响。”


  空间天气研究人员们依赖于一颗名为“高新化学组成探测器”(ACE)的探测器,其可以测定CME事件中抛射物质的磁场方向。当这些抛射物质途径ACE探测器附近时,其距离地球只剩下大约15分钟的预警时间了。


  伯奈特表示:“如果这些物质磁场的方向是朝南的,那么它将会影响地球。如果是朝北的,那么它就不会影响地球,而是将绕过地球磁场,我们根本不会感受到它的存在。”


  随着现代人类社会对先进技术的依赖性与日俱增,我们也正在增加未来发生严重太阳爆发时可能产生风险的可能性。如果没有了计算机,电力供应或是抽水马桶,世界大部分地区人们的生活水平将会在一夜之间被打回到18世纪。看来,是时候在家里囤上几节干电池,或是在床单下藏一些现金了。


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太阳系 如果 发生 严重 太阳 爆发 我们

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