过万圣节吗?一起研究太阳风暴的那种

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过万圣节吗?一起研究太阳风暴的那种

每年的 10 月 31 日是西方的一个传统节日—— ” 万圣节前夜 “(Halloween)。在这一天,除了有许多与鬼怪相关的特色节日活动,而且在历史上的同期还出现过以它命名的科学现象。

” 万圣节 ” 主题插画(来源:http://big5.wallcoo.com/holiday/halloween_06/wallpapers/1024×768/Halloween_wp_by_TwistEd_Ky0.jpg)

万圣节不只有鬼怪,还有太阳风暴

历史上有一个以 “Halloween” 命名的太阳风暴事件,那就是 2003 年的 ” 万圣节风暴 “。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(也就是 ” 太阳风暴 “)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万圣节、万圣节前夜的时间点重合,太空(空间)科学的研究者们普遍将这次爆发事件称之为 ” 万圣节事件 “。

这个事件非常有名,因为它让人类实实在在看到了太阳风暴对现代文明伤害的威力。

首先,由于高空电磁场扰动对地面输电线路的影响,瑞典 5 万人的电力供应中断。为了避免类似的危机,美国新泽西的两处核电站被迫降低了功率。

其次,全球范围的通讯受到了干扰,例如海事紧急呼叫系统瘫痪,珠峰探险队通讯中断。GPS 定位精度大幅下降。美国国防部承认,因为通讯困难,他们取消了一次海事任务。

第三,越过极区附近的飞机航线大量中断和延误。为了避免飞机乘客和机组人员受到辐射的伤害,其他飞机被指示在更低的高度飞行,来受到更厚的大气层的保护,但相对地要额外消耗总计上百万美元的飞机燃料。航空的地理和地磁探测任务因为仪器无法工作而都被取消。阿拉斯加的石油和天然气开采也被迫中断。

第四,极光通常只出现在南北极附近,但这次事件中,在美国的德克萨斯州和佛罗里达州(约北纬 25-30 度区域)都可以看到极光。

2003 年美国休斯敦出现的极光(来源:http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrs

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此外,几乎所有的卫星都报告受到损害或影响(甚至失控),多颗卫星一段时间内进入安全模式。国际空间站被迫关闭了机械臂和飞船工作站,工作人员临时中止一切任务,并多次进入防护舱中躲避。

我们称这些宇宙空间的活动为 ” 空间天气 “。就像风雨雷电这样的扰动的天气一样,” 空间天气 ” 也是平静中的一丝不平静,并且同样会对人类生活产生诸多影响。

劳埃德(Lloyd)公司的空间天气风险评估报告封面

(来源:https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180703/da59406c09b44130a795545e3948793b.jpeg)

我们该如何应对太阳风暴?

正因为我们现在如此依赖电子设备,所以太阳风暴引发地球范围的电磁扰动的伤害会如此巨大,因此势必要有所准备、做好抗灾措施。据说,只需要提前十几秒的地震预报,就可以挽救成千上万的生命和财产损失。那么,科学家们要怎么预报像这样庞大的太阳风暴呢?

很多朋友都听说过的 ” 太阳黑子 “。科学家之所以孜孜不倦地记录太阳黑子的数量(真的是靠眼睛数的),是因为太阳活动的强弱与太阳黑子的数量息息相关,太阳黑子多,太阳活动就比较频繁,容易出现风暴,反之则比较 ” 平静 “。

太阳也和地球一样是自西向东转的。当我们提前几天看到大量的黑子出现在太阳圆盘左侧边缘的时候,就可以预见到几天后太阳转过来黑子正对地球的时候,很可能会有很强的太阳风暴向地球袭来。

例如 2003 年这次万圣节风暴,在 10 月 26 日,SOHO 卫星观测到被标记为 10486 号太阳活动区的黑子区域增大到了地球的 10 倍以上,已经可以在地球上用肉眼看到。两天后的 10 月 28 日,随着太阳和地球的相对运动,这个区域几乎正对着地球,也就是下图中太阳光球层成像中左下角的区域。

2003 年 10 月 28 日拍摄到的太阳黑子,中下偏左的黑子区域早在 10 月 26 日就可以看到出现在更加靠左的位置

(来源:http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrsFSQoF4XDKLlYv

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正如我们刚才提到的,地震预报分秒必争,可以挽救大量生命和财产损失,这其实不是在发生地震前预知到发生,而是提早一步接收到已经发生的地震的波动,并通知大家避难。在太阳风暴方面也是如此。我们刚才提到的 SOHO 卫星,就是一颗始终飞行在地球和太阳之间的卫星。这样一来,太阳上的风暴首先要经过的是它身边。

太阳在强烈活动的时候,会向外发射各种电磁辐射。从波长短于 1 埃的 γ 射线和 X 射线,直到波长达几公里的射电波段,几乎全波段的电磁辐射都有增强的现象。而它们是以光速向地球传播的,仅需 8 分钟就到达地球。人类肉眼或者是用 SOHO 这样的卫星 ” 看 ” 到太阳爆发活动(耀斑)的时候,这些辐射基本已经到达地球了,所以基本是来不及提前告知的。这些只能依靠上文所说提前判断太阳黑子之类的办法来预测。

不过,太阳风暴对地球电子设备影响最大的主要是它能量极高的带电粒子,这些粒子的飞行速度远远不到光速。太阳耀斑(如下图所示)直接发出的高能粒子辐射,能量高、速度快,速度可能有光速的 1/10 左右,我们 ” 看 ” 到太阳上明亮的耀斑的时候,就要赶紧开始做预备了。但是这种辐射是肉眼看不到的,需要借助仪器。

太阳极紫外辐射图中的耀斑(中下偏左)

(来源:http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrsFSQoF4XDKLl

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还有一些太阳粒子,是一团一团地喷发出来的,我们称为 ” 日冕物质抛射 “,它是太阳系内规模最大、程度最剧烈的能量释放过程,会把比地球体积还大、和大山一样重的大量高能粒子喷发到宇宙空间中,并且其中携带着太阳磁场。

这种太阳粒子的速度范围约为 20-2700 公里 / 秒,平均速度是 489 公里 / 秒。在我们 ” 看 ” 到耀斑之后,还没有那么快抵达地球。它们甚至是可以提前被 ” 看 ” 到的。比如下图,遮挡住中间太过明亮的日盘之后,可以看到 ” 日冕物质抛射 ” 这样大团的火焰向许多方向发射。如果现在看到左侧(太阳西边)有日冕物质抛射,那随着太阳自西向东转,几天之后的地球就要小心了。

遮挡住中间太过明亮的日盘之后,可以看到 ” 日冕物质抛射 “(来源 :http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrsFSQoF4XDKLlch2

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像 SOHO 卫星这样处在太阳和地球连线中间的卫星,距离地球约有 150 万公里。日冕物质抛射的速度范围约为 20-2700 公里 / 秒,平均速度是 489 公里 / 秒。假如 500 公里每秒的日冕物质抛射经过 SOHO 卫星时,它向地球以光速的无线电波发出警告,警告大约可以比日冕物质抛射提前几十分钟传达地球。

太阳还有一些粒子释放到太空中的活动,但比日冕物质抛射又弱了许多,这些被称为 ” 太阳风 “(solar wind)。太阳风通常是连续发射、持续不断的,密度非常低。但是,在太阳风暴期间,其 ” 风速 ” 和能量也免不了要大大上升。与日冕物质抛射的区别就是,日冕物质抛射是很强的风暴时间放出来的,就像火山爆发一样。太阳风平时就在一直 ” 刮 “,好像河流一样,在汛期会突然涨水。

这些太阳风的速度可能也是几百公里每秒,同样可以由 24 小时工作的卫星们监测风速、磁场方向、磁场强度、粒子能量等等,一有扰动就可以告知地球。另一方面,一些能量高、速度快的太阳风被认为是从太阳上发暗的区域——冕洞里放出来的,冕洞的出现和大小同样可以提前观测,从而预测太阳风。下图就是冕洞的照片。

黑色的冕洞照片(来源:http://www.people.com.cn/mediafile/pic/GQ/20151015/96/14975459038735175628.jpg)

太阳风相对持久,可能几十天后还在 ” 刮 “。太阳自西向东旋转相对于地球的周期是 27 天。所以,如果我们现在接收到冕洞中强大的太阳风,27 天后,这个冕洞又转了回来朝向地球,仍然有可能有很强的太阳风。我们提前 27 天就做了准备,这也是一种预报。

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