我們都知道暴風雨會造成嚴重損害，洪水會淹沒城市，基礎(chǔ)設(shè)施也會遭到破壞。
但比暴風雨更讓人擔心的是：太空的天氣。如果一場巨大的太陽風暴襲擊我們，我們的技術(shù)就會覆滅,整個星球?qū)兊煤诎怠?p>美國國家海洋和大氣管理局（NOAA—National Oceanic and Atmospheric Administration）空間氣象預(yù)報中心主任托馬斯·伯格對吉茲莫多說：“如今，我們比過去對技術(shù)更加依賴,也就更容易受到太空氣象的影響。如果我們今天受到了極端事件的襲擊，我們將很難做出響應(yīng)。”
“太陽風暴”是一個通用的術(shù)語，用來描述太陽拋向我們的大量物質(zhì)，包括X射線、帶電粒子和磁化等離子體。自19世紀中葉以來，還沒有發(fā)生過大規(guī)模的太陽風暴，但太空氣象科學(xué)家們卻非常擔心風暴會再次發(fā)生。
太陽耀斑
太陽風暴通常始于太陽耀斑——太陽表面發(fā)生巨大爆炸，將能量和粒子輸送到太空。小型C級耀斑時有發(fā)生，但是因為它太弱，故不會影響地球；而中型M級耀斑會產(chǎn)生輕微的無線電干擾。此外，X級耀斑是太陽系中發(fā)生的最猛烈的爆炸，它會釋放出相當于10億顆氫彈那么高的能量。這些爆發(fā)很少發(fā)生，但一旦發(fā)生，便是史詩般的景象。
現(xiàn)代儀器測量到的最強烈的耀斑之一發(fā)生在2003年的太陽活動高峰期。它太強烈了，以至于超過了我們衛(wèi)星傳感器的極限，該衛(wèi)星傳感器記錄了X-28（比X-1耀斑高28個等級，而X-1耀斑本身比M1型耀斑大10倍）。該事件如下圖所示：
2003年，太陽和日球?qū)犹綔y器(SOHO—Solar and Heliospheric Observatory)捕捉到了這一史詩般的太陽耀斑。圖像來源：歐洲空間局/美國國家航天局—太陽和日球?qū)犹綔y器
盡管觀測耀斑已有一個多世紀，但是科學(xué)家們?nèi)匀徊荒芡耆_定到底是什么原因?qū)е乱叱霈F(xiàn)。我們確信耀斑與太陽強大磁場的擾動有很大關(guān)系，磁場會在太陽周期（大約11年）中振蕩。
太空氣象學(xué)家喬·古爾曼在接受來自美國宇航局戈達德航天中心的吉茲莫多的采訪時說：“太陽風暴起源于太陽表面爆發(fā)的磁性特征，我們稱這些為活躍區(qū)域或者太陽黑子。當它們變得巨大丑陋，這表明磁場正在迅速變化。磁場迅速變化，似乎就是太陽活動的原因（或與其原因相關(guān)）。”
中到大型的太陽耀斑會向地球發(fā)射高能輻射波，即X射線和紫外線。這些類型的輻射的能量足以將電子從原子上剝離下來，這正是當輻射撞擊我們的大氣層（稱為電離層）上部時發(fā)生的事情。基本上，天空會受到巨大電磁脈沖的沖擊。但根據(jù)伯格的說法，即使是最大的耀斑也不會對人類造成太大的影響。
伯格說：“這是一個巨大的電磁脈沖，它攪動電離層，導(dǎo)致電離層膨脹。但太陽耀斑確實不會對技術(shù)造成毀壞?！蔽ㄒ坏睦馐菬o線電，當大氣層負載了過多電荷時，地球和軌道衛(wèi)星之間的無線電信號可能會被屏蔽。伯格指出：“無線電通信有時會受到影響，在地平線上無線電廣播變得困難。當飛機飛越極地時，它們與控制中心通信的唯一方式是通過高頻無線電波在各個大陸上的反射。但這只是暫時的，通信困難最多只能持續(xù)10分鐘到幾個小時。”
2012年3月6日，美國國家宇航局捕獲了X級耀斑。圖片來源：美國國家航空航天局戈達德航天中心/Flickr
我們沒有很好的預(yù)測太陽耀斑的方法，又因為太陽耀斑到達地球的速度太快(與正常的太陽光一樣，太陽耀斑的輻射到達地球大約需要8分鐘)，所以美國國家海洋和大氣管理局無法提前通知航空公司。伯格說：“我們唯一能做的就是在觀測到太陽耀斑時立即發(fā)出警報，航空公司非常重視耀斑對高頻通信的影響，如果真的有重大耀斑事件發(fā)生，他們會考慮停飛航班。”如果你不是航空公司的運營商，你幾乎可以坐視不管。但不要忘記時不時地去美國宇航局的太陽動力學(xué)天文臺上看看這些驚人的圖像。
帶電粒子
在太陽耀斑的輻射到達天空的幾分鐘到幾個小時之后，一束帶電粒子（電子和質(zhì)子）就會到達地球，它們會轟擊磁層（磁層是我們的磁場在地球周圍形成的保護層）。伯格說：“我們看到輻射等級有時會上升，這表明粒子正在撞擊地球。”
落入地球大氣層中的帶電粒子形成了北極光。圖像來源：亞當·伍德沃思
偶爾，大量帶電粒子會撞擊軌道衛(wèi)星并損壞其電子設(shè)備。粒子輻射對太空中的人類的健康也構(gòu)成了很大的風險。
古爾曼說：“我們的確需要擔心到達國際空間站（ISS—International Space Station）的高能粒子，如果有一天我們到了太空競爭的地步，那么高能粒子將會更值得關(guān)注。”但總的來說，在很大程度上，太陽粒子輻射會被磁層和大氣層緩沖。接下來的事才是我們在地表需要擔心的事情。
日冕物質(zhì)拋射
當太陽爆發(fā)耀斑時，有時會噴射出一團巨大的磁化等離子體云進入太空，這被稱為日冕物質(zhì)拋射(CME—Coronal Mass Ejections)。日冕物質(zhì)拋射是太陽活動中最慢的一種形式，它需要12小時甚至幾天才能到達地球。但是它們也是目前為止最危險的。
幸運的是，由于日冕物質(zhì)拋射移動緩慢，我們的空間氣象預(yù)報員有更多的時間來預(yù)測它們。他們會對從太陽和日球?qū)犹綔y器(SOHO—Solar and Heliospheric Observatory)和日地關(guān)系觀測臺（STEREO—Solar Terrestrial Relation Observatory）提取出的太陽圖像進行觀測。當我們的天文臺觀測到較大的事件時，美國國家海洋和大氣管理局就會對此做出響應(yīng)預(yù)案。
伯格概述了接下來會發(fā)生的事情：“當我們看到太陽活動產(chǎn)生的東西向地球行進時，就會進行密切監(jiān)視。比如，如果有大型日冕物質(zhì)拋射，我們認為可能會對地球有較大影響，我們就會進行監(jiān)視?！?/p>
日冕物質(zhì)拋射會從太陽直接拋射出來，很有可能不會到達地球。如果日冕物質(zhì)拋射直沖我們，它將首先撞擊美國宇航局的高新化學(xué)組成探測器（ACE—Advanced Composition Explorer），該衛(wèi)星位于距地球大約160萬公里（100,0000英里）的第一拉格朗日點（L1）。如果發(fā)生這種情況，在等離子體從天上傾瀉而下，并與地球的磁層相互作用引發(fā)地磁暴之前，我們有30分鐘到1個小時的時間。從這時起，你就可以看到日冕物質(zhì)拋射對地球上電力輸送網(wǎng)的影響了。
藝術(shù)家對太陽風與地球磁層碰撞的描繪。圖片來源：美國國家航空航天宇航局/維基
“這會在地球的上層大氣中產(chǎn)生巨大的電流，”伯格說，“根據(jù)大地導(dǎo)電性的不同，有可能通過發(fā)電站獲取巨大電流，并將其饋送到電網(wǎng)中。”這是個壞消息，因為“我們的電網(wǎng)不是為從地下涌出的大量電流而設(shè)計的?！?地磁風暴強度由“地磁擾動指數(shù) (Dst)”來表示，它本質(zhì)上描述了日冕物質(zhì)拋射引起的地球磁場擾動的強烈程度。普通磁暴的Dst值為-50nT（nT納特斯拉，地球物理常用磁通密度單位）附近，它雖然會導(dǎo)致北極光的爆發(fā)，但不會影響到我們。1989年3月，太空時代最嚴重的地磁風暴摧毀了魁北克全省的電力，其強度為Dst=-600nT。
但與卡林頓事件（一場156年前席卷地球的地磁暴）相比，即使是1989年的磁暴也顯得微不足道。當時的損害并不算嚴重，但是現(xiàn)在，一場與卡林頓事件相似的磁暴可能就會帶來嚴重災(zāi)難。
超級磁暴
1859年9月的卡林頓事件是以英國天文學(xué)家理查德·卡林頓命名的，他親眼目睹了太陽耀斑。在卡林頓觀測之后的幾天里，一系列強大的日冕物質(zhì)拋射直接正面撞擊了地球，在十分偏南的古巴都能看到北極光爆發(fā)。電流導(dǎo)致電報線路帶電，并引燃了電報文件，造成大規(guī)模的通訊中斷，這使技術(shù)人員感到震驚?，F(xiàn)代估計這場磁暴的強度范圍從-800nT到-1750nT不等。
下次卡林頓規(guī)模的磁暴襲擊時，這里就會變得越來越暗。圖像提供：美國國家航空航天宇航局地球觀測站。
今天的人類社會比156年前更加依賴電力。伯格指出，今天我們有了管道、輸電網(wǎng)以及更多的地面導(dǎo)電技術(shù)。那么，如果現(xiàn)在類似卡林頓這樣規(guī)模的磁暴襲擊了我們，將會發(fā)生什么？根據(jù)美國國家科學(xué)院的一份報告，現(xiàn)代世界的方方面面幾乎都會受到打擊。
大型地磁風暴引起的大地電流可以熔化位于配電系統(tǒng)中心的變壓器的銅繞組。如果發(fā)生這種情況，就會導(dǎo)致大規(guī)模停電。而且，隨著時間的推移，我們的電網(wǎng)之間互聯(lián)程度越來越高，因此今天的停電所造成的影響可能會蔓延到更遠更廣的地方。
這是一張在4800 nT/min地磁場擾動下，美國各州可能遭受損傷的變壓器容量地圖。損傷容量百分比高的地區(qū)可能會經(jīng)歷長達數(shù)年的電力中斷。圖像來源：Metatech公司的約翰·卡彭曼
很難預(yù)估這會給我們的生活帶來多大的損失。當然，電燈會熄滅，互聯(lián)網(wǎng)也會關(guān)閉，任何需要用電的設(shè)備都會關(guān)閉。大多數(shù)現(xiàn)代城市有電子控制市政供水，所以廁所和污水處理系統(tǒng)將停止工作。暖氣和空調(diào)都會失靈，易變質(zhì)的食物和藥物會變質(zhì)，自動取款機將毫無用處，氣泵也會脫機等等。
全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)也將無法使用。古爾曼說：“GPS依賴于兩點之間信號路線的精確計時，比如航天器和你的手機。如果大氣層中突然出現(xiàn)很多高能粒子，就會影響你的GPS。如果考慮用GPS替代傳統(tǒng)的飛行器著陸技術(shù)，情況就不容樂觀了。”
其中一些影響可能會持續(xù)數(shù)年，而且在全球范圍內(nèi)都能感受到?！暗厍虻恼麄€磁場都在變化，所以整個地球都能感覺到，”伯格說。
很難想象數(shù)十億渴求電力的人類突然失去電網(wǎng)而造成的社會后果，但我認為我們都很贊同這是非常不美好的。我們也很明白，其造成的經(jīng)濟損失也將是巨大的。美國國家科學(xué)院的報告估計，現(xiàn)在的一場卡林頓規(guī)模的事件帶來的損失可能超過2萬億美元，這是卡特里娜颶風造成的損失的20倍。
重要的是要記住，我們不是在談?wù)撘恍┻b不可及的、世界末日般的場景。事實上，在2012年7月，一次巨大的日冕物質(zhì)拋射穿過了地球的軌道，與我們擦肩而過。這一事件是由美國宇航局的前導(dǎo)空間觀測臺（STEREO-A）接收到的，它的Dst值為-1200nT，該強度與卡林頓事件相當。
2014年，科羅拉多大學(xué)的太空氣象學(xué)家丹尼爾·貝克告訴美國宇航局說：“如果2012年那次事件擊中了我們，我們到現(xiàn)在還在收拾殘局。有多少次這樣規(guī)模的風暴與我們的地球和太空探測系統(tǒng)擦肩而過？這是一個迫切需要回答的問題?！?/p>
希望我們能在科技災(zāi)難降臨之前制定一些明智的減緩政策。
得益于不斷增加的太空氣象觀測站，與比20年前相比，我們能夠更好地預(yù)測日冕物質(zhì)拋射。盡管如此，多數(shù)太空氣象科學(xué)家一致認為，如果現(xiàn)在發(fā)生一場巨大的太陽風暴襲擊，我們就完蛋了。但我們正在努力改變這種狀況。
白宮科技政策辦公室成立了一個特別工作組，以探討應(yīng)對極端事件的方法。伯格說，他們在2015年10月份制定了一項國家太空氣象戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略概述了美國需要做些什么，以“更好地做好準備”。
伯格無法透露該政策的具體細節(jié)，但他暗示，這項政策會對電力供應(yīng)商產(chǎn)生嚴重影響(目前，電力公司是通過重新分配變壓器周圍的電力來應(yīng)對大型太陽風暴警報)。
與此同時，具有太空氣象意識的地球人能做些什么呢？大多數(shù)的備災(zāi)常識都適用。制作應(yīng)急物資套件，制定一個在手機出現(xiàn)故障時可以與親人聯(lián)系的計劃，保持你的汽車油箱至少裝滿一半的汽油，隨身攜帶備用電池，購買太陽能或者手搖充電器，以及備份你的數(shù)據(jù)。確保你有足夠的備用鐵棍——等等，那是應(yīng)對僵尸末日才用的。
當然，你可以在美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）了解最新的太陽風暴警報。
資料來源：美國國家海洋和大氣管理局空間天氣預(yù)報中心；美國國家航空航天宇航局太陽動力學(xué)觀測臺；“太陽耀斑：如何形成X級？”；“連續(xù)日冕物質(zhì)拋射引起的行星際空間極端風暴的觀測”；“2012年7月的一次大規(guī)模太陽噴發(fā)事件：極端空間天氣預(yù)測的界定”；“嚴峻的太空天氣事件：了解其對社會和經(jīng)濟的影響”。
作者: Maddie Stone
FY: 李可
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