2019-09-07 11:29:10
来源：中科院之声
编者按：“浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索”，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
地球作为太阳系“家族”的一员，深受太阳活动的影响。我们的太阳是颗躁动不安的恒星。当太阳特别活跃时，太阳爆发活动喷发出巨大的物质和能量，它们穿越星际空间，到达地球附近，引起地球空间环境的剧烈扰动，进而影响人类和其它生物的生存和活动。
一、太阳风暴爆发
在地球附近，来自太阳的电磁辐射和携带太阳磁场的太阳风与地球磁场和地球大气相互作用，形成了由磁层、电离层和高层大气组成的相对稳定又紧密耦合的复杂系统，这个系统通常称为地球空间环境。当太阳剧烈爆发时，增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云将对地球形成三轮攻击，打破地球空间环境相对稳定宁静的局面。
▲ 太阳爆发对地球的三轮攻击示意图第一轮攻击——增强的电磁辐射
太阳电磁辐射的能量主要分布在可见光和近红外光谱区。当太阳耀斑爆发时，射电、紫外和X射线波段的电磁辐射的增强幅度可达几个数量级。这些增强的辐射以光速（大约8分钟）抵达地球空间，由于磁层无法拦截电磁辐射，它们就直接进入到电离层和高层大气，使电离层中的电子浓度急剧增大，引发电离层突然骚扰，可导致短波无线电信号衰落，甚至中断。
第二轮攻击——高能带电粒子流
高能带电粒子流速度比炮弹快万倍以上，（大约30分钟）到达地球空间后轰击磁层，并能突破地球磁场的重重防线，进入卫星轨道，对卫星和其它空间飞行器来说可能就是一场灾难；对于在空间执行任务的航天员来说，若遭遇到这样的高能粒子流，他们的生命安全可能会受到威胁；对于穿越极区的航空乘客来说，若穿越时恰逢高能粒子流的沉降，他们的辐照剂量会增大，健康将受影响。由于极区地磁场的磁力线是开放的，高能粒子流能够沿着磁力线沉降到极盖区上层大气中，引发极盖吸收事件，影响极区无线电通信。
第三轮攻击——等离子体云
等离子体云以日冕物质抛射的形式从太阳上喷发出来，将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中，引发磁层剧烈动荡。磁尾高密度的等离子体在电磁场的驱动下，加速冲向地球（大约18小时-数天），增强赤道环电流，引起全球范围剧烈的地磁扰动——地磁暴，等离子体也可能在从磁尾注入到地球过程中被加速，同时有辐射带的高能电子推波助澜，形成全球范围的高能电子增强现象——高能电子暴。等离子体还可以注入到极区和电离层中，引发电离层暴，同时轰击高层大气，形成绚烂多彩的极光。
二、历史上的强太阳风暴
太阳风暴的历史由来已久。19世纪50年代以前，它留给人类主要是一幅幅多姿多彩的极光图像和一段段美丽动人的极光神话。在此之后，太阳风暴带给人类社会更多的是一道道伤痕，而且随着社会发展，其伤害所涉及的范围也越来越广，上可到太空中遨游的卫星，下可达海底中深埋的电缆。我们通过三次强太阳风暴事件来了解一下太阳风暴的威力。
No.1 超强太阳风暴-1859年卡林顿事件
太阳风暴的等级可以从X射线耀斑、质子事件以及地磁暴的强度进行划分。在卡林顿事件发生期间，观测技术还不够成熟，空间环境扰动监测数据也不够全面。但事后人们从高能粒子数量、极光范围、地磁扰动和造成的危害这几个方面还是可以推断出卡林顿事件是历史最强太阳风暴。
▲ 太阳爆发示意图事件强度
高能粒子数量：大于30兆电子伏的质子通量达到1.9×1010个/cm2 ，是排名第四的1972年高能粒子事件的4倍。创下了迄今为止高能粒子事件最强纪录。
极光范围：1859年8月28日-9月4日磁暴期间，在北美、南美、欧洲、亚洲等多地看到极光。在古巴，人们居然能够在极光下读晨报，这些纪录一直保持到现在。
地磁扰动：在太阳耀斑爆发的17.5小时后，Dst指数最大下降到-1760纳特。这次事件的地磁暴强度是1989年3月地磁暴的4倍。
▲ 1859年大磁暴期间，低纬地区观测到的红色极光
▲ “卡林顿”事件与十大空间灾害事件Dst对比图 造成的危害
卡林顿事件对电报业造成严重损害。意大利的托斯卡纳等广大地区的电报站机器都出现了闪火花现象，甚至电线也被熔化了。并且随着时间推移，波士顿至波特兰的电报线在没有电池的情况下，依靠地磁暴产生的电流持续工作长达两小时之久。
▲ 卡林顿事件对电报行业造成严重损害No.2 1989年3月太阳风暴-魁北克省大断电事件
1989年3月，日面上出现了一个超级活动区，该活动区掀起了一场剧烈的太阳风暴，使地球上发生了一次史上有名的强磁暴，同时也给人类社会带来了一系列灾难。此次太阳风暴的危害主要表现为对加拿大魁北克省电力系统的严重破坏，因此，我们将这次太阳风暴称为“魁北克省大断电事件”。
▲ 魁北克省大断电事件事件强度
高能粒子通量：受太阳耀斑及抛射的等离子体云影响，发生2次强太阳质子事件。第一次大太阳质子事件持续5天，峰值通量为1500pfu，第二次大太阳质子事件持续2天，峰值通量为1250pfu。
地磁暴：这次地磁暴连续10个3小时Kp指数大于7，有2个3小时ap指数达到最大值400。根据1932年以来每天的Ap指数来排序，3月13日的Ap值排名高居第二，为246。这次地磁暴Dst指数值为-589纳特斯拉，其强度远大于排名第二的-429纳特斯拉。
电离层扰动：共产生100多次电离层突然骚扰。
大气层扰动：480千米高度处的大气密度增加了4倍。
极光：较低纬度地区如北半球的美国佛罗里达州、古巴等地都看到了极光。
▲ 地面台站所获得的各地磁指数造成的危害
电力系统：加拿大魁北克省电力系统遭到严重破坏。地球强磁暴导致加拿大魁北克省电网主要线路上的一个变压器因感应电流过大而烧毁，整个电网在不到90秒钟就全部瘫痪，致使该电网所管辖的区域陷入黑暗和寒冷。
卫星：在太阳爆发活动期间，地球高轨道高能粒子通量和低轨道大气密度的增加以及地球磁场剧烈变化导致许多卫星也遭受了不同程度的影响。如美国GOES-7卫星损失了一半太阳能电池，致使其寿命缩短了一半；3月17日，日本通讯卫星CS-3B异常，搭载在卫星上的备用命令电路损坏等等。
▲ 磁暴对电力系统影响（示意），白色表示灯火通明No.3 2003年万圣节太阳风暴
2003年10月底至11月初期间，太阳上发生了一系列强烈的爆发活动，造成了日地空间环境巨大扰动。受此影响，美国加州中部上空出现了罕见的极光；约半数卫星出现故障，日本先进地球观测卫星-2（ADEOS-2）完全失效；全球范围内的通讯受到干扰，海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断；全球定位系统精度降低；瑞典5万人的电力供应中断……如此强烈的太阳风暴在历史上非常罕见，因正值西方万圣节前后而被命名为“万圣节太阳风暴”。
▲ 黑子群AR486爆发X28级巨耀斑事件强度
太阳耀斑：日面上共爆发了57个M级以上的X射线耀斑，包括11个X级的大耀斑；同时伴随有至少15个晕状日冕物质抛射及大量的小日冕物质抛射。其中X28级巨耀斑是自1976年以来观测到的最大耀斑。
高能粒子通量：太阳质子事件的峰值流量达到29500pfu，是GOES卫星1976年观测以来第4大值。
地磁暴：Ap指数达到204，是自1932年有记录以来的第9大极值。
▲ 万圣节太阳风暴期间的高能粒子环境与地磁环境造成的危害
通信卫星：致使46颗通信卫星报告了异常。
国际空间站：经历了反常摩擦阻力。
深空任务：安装在“奥德赛号”飞船上的火星环境辐射探测仪（（MARIE），其目的原本是用于探测星辐射环境以确定宇航员在火星上所遭受到的辐射危险，在28日却由于粒子辐射发出温度红色警报而自动关闭，至今没有恢复。
地球轨道卫星：大约59%的空间科学任务受到了影响，其中24%的任务关闭的仪器采用可保护行为。
通信：全球短波通讯中断，超视距雷达、民航通讯出现故障；伊拉克战场美英联军通讯受到影响；珠穆朗玛峰探险队和一些电视广播通讯公司遭到了严重的高频射电短期干扰；我国北方短波通讯受到严重干扰，北京、满洲里无线电观测点短波信号一度中断。
导航：罗兰C导航定位系统报告了数次的干扰问题，GPS用户也报道了应用衰弱和中断。
航空：极区航线受到很大影响。
电力：瑞典马尔默市南部的一个电力系统遭到破坏，有5万居民用电供应中断。
三、如何应对太阳风暴？
了解了历史上强太阳风暴带给人类社会的危害，我们应该清楚强太阳风暴可能给国家安全稳定与经济社会发展带来的危害，是当前必须高度重视的一种自然灾害现象。我们不能对强烈的太阳风暴及其影响掉以轻心。针对我国国家关键基础设施防护措施有限，空间资产大量增加的情况，如何应对极端空间天气的影响，既是各级政府的职责，也是空间科学领域和各社会团体的基本义务，必须做到未雨绸缪。
一是加强空间天气事件知识普及，提高对其潜在危害性的认识。
我国对空间天气事件观测、预报、产品制作与服务起步较晚，目前仍局限在部分业务领域，主要集中在对空间资产的影响及防护。我国关键基础设施规模大、防护措施不到位，大部分国家关键基础设施管理与运行系统对空间天气事件影响缺乏基本认识。因此，首先应大力推进空间天气事件及影响知识的普及，提高对极端空间天气事件影响危害的认识。需要加大有关太阳、日地空间、空间天气事件、事件影响等知识的科普宣传。同时，根据现代信息传播手段的特点，制作形式多样且容易被不同受众接受的信息产品。
二是大力构建空间环境研究与观测网，提高空间天气预报产品服务水平。
空间天气变化与太阳活动直接相关，既有一定的变化特征和规律，又有很大随机性与突发性。因此，空间天气事件预报和预警必须建立在持续太阳观测，以及长期历史积累资料分析研究基础上。首先，要建立以地面观测系统为主，地面与空间观测相结合的太阳观测网，进一步做好观测数据积累、处理与应用工作。其次，要加强基础研究，针对太阳活动变化的规律及对地球空间环境影响的特征，研究制定相应的标准体系。第三，不断提高空间天气预报产品制作与服务水平，理顺空间天气预报产品的服务渠道，增强对极端空间天气事件的预报预警能力。
三是积极参加国际空间环境领域合作，不断提升应对空间天气事件能力。
空间天气事件影响作为一种全球安全威胁，受到越来越多国家政府的重视，正在成为各国政府联合应对的全球挑战。长期以来，由国际机构联合开展的太阳观测、研究等活动，在空间环境研究、空间天气事件预测等方面发挥了积极作用。我国作为一个世界性大国，在空间研究开发利用等方面有能力和义务走在前列。我们应积极参加空间天气与空间环境观测研究领域国际合作，同时，也有责任牵头和倡导国际合作项目，共享国际研究成果，共同提升应对空间天气事件的能力。
