太阳风暴来袭，既有极光还有风险？

作者：环球科学

不知道大家有没有注意到，在2023年的11月5号，包括中国漠河在内的很多高纬度地区都出现了非常绚丽的极光。在被欣赏之余，这场时长接近20分钟的红色极光也激起了大家对引发极光的太阳风暴的担心。

毕竟，在2023年6月时，太阳黑子数突破纪录的新闻也同样指向了让人担忧的太阳风暴。而在很多媒体的口中，太阳风暴似乎非常可怕，不仅有可能冲击全球的电网导致大规模停电事件，还有可能冲击已经深入我们生活各个方面的电子产品，造成设备故障。

究竟什么是太阳风暴呢？

其实它是一系列现象的统称，核心点在于由太阳发出的磁场和带电粒子流冲击了地球。说深一点，就是太阳表面的一部分等离子体被切割，并且抛射了出来。

在说到太阳风暴这个话题时，经常一同出现的还有太阳黑子，耀斑，日冕物质抛射和带电粒子流等等的概念。如果不仔细说明它们之间的关系，很多人还是会一头雾水。实际上，它们是在逻辑上具有很强联系的一系列概念。

我们举例说明：太阳黑子其实是太阳表面几乎肉眼可见的颜色偏深的斑点。虽然它的颜色偏深，但却是磁场异常集中和活跃的区块。如果相邻黑子间的磁力线因为某些原因发生断裂后重连，就会产生太阳耀斑。伴随着这个过程，会释放出极高的能量。

相当于，太阳中的带电粒子在高温等离子体“汤”中快速地翻滚运动，会产生强烈的磁场。当这些磁力线相互交织并缠绕时，扭曲的磁场会储存大量能量。在磁场异常集中的太阳黑子上，一旦这些磁场突然移动或重新排列，就会释放巨大的能量，也就是我们观测到的太阳耀斑。

紧接着，磁场重连释放的巨大能量有可能推动巨大的、可以包裹住行星的等离子云团飞向包括地球在内的太阳系的各个角落，而这个过程就是日冕物质抛射 (CME)。这团物质跟磁场抵达地球后，就会跟地球产生强烈的相互作用。比如包含其中的带电粒子流就会使地球磁场两级附近的多种分子处于激发态，当他们回归基态后就会释放光能形成耀眼的极光。

当然，这团物质还有可能和地球上的其他多种物质产生相互作用，因此有可能干扰我们的电网，或者电子设备。

值得注意的是，太阳黑子的数量多少还存在一定的周期性。1843年，德国天文爱好者施瓦布通过1826-1843年间的日常黑子观测，首次发现了黑子数量变化会以11年为周期循环。黑子相对数年均值的极大和极小年份，分别称为太阳活动的极大年（峰年）和极小年（谷年）。通常，科学家也将黑子相对数年均值相对较高的太阳活动极大年和其相邻的几年，称为太阳活动高年；黑子相对数年均值相对较低的太阳活动极小年和其相邻的几年，称为太阳活动低年。据科学家推测，2025年将迎来下一个峰年。

虽然名字都带有“风暴”两个字，但太阳风暴和地球上的风暴完全不一样，因为太阳风暴中发挥作用的是带电粒子流。除了太阳耀斑会直接导致地球电离层的电离增加，影响短波通信技术。那么当这些高能的带电粒子流轰击地球的磁层时，可能会产生所谓的“地磁暴”，从而产生各方面的影响：

那么首当其冲的其实就是航空航天，例如近地轨道上的卫星，还有国际空间站。
一方面，地球中高轨道的高能带电粒子通量急速上升，会像暴雨一样袭击航天器内的设备，可能导致设备异常和故障。同时，地磁暴带来的静电放电和电压差都可能导致设备故障或破坏。
另一方面，这里的大气本来非常稀薄。但当太阳风暴袭来时，这一区域的大气会与太阳风相互作用并发生膨胀，空气密度的增加会导致卫星遭受更大阻力，很容易偏离原来的轨道。如果偏离太多，就需要再次定位。这样太空天气的异常不太可能导致大范围电力中断。
在一些比较极端的情况下，高能带电粒子还是可能干扰或破坏地球上的电网。因为日冕物质抛射可能会与地磁场相互作用，而沿着或穿过地球表面时会感应出过量的电流，对电网构成威胁。如果这样产生的感应电流足够强，电网上未受保护的变压器，可能会受到严重损坏并关闭，这会降低电网的容量，那么到时候的维修和更换就会很昂贵，而且很费时。不过这个基本只会发生在非常长的电缆或者管道上，所以不用太担心你家里的线路。

另外还有一种极小概率的情况，可能会影响到电子设备：如果电子设备被单个高能的带电粒子击中，那么这个粒子会在撞击时将大部分能量传递给该设备，这就可能导致你的设备被烧毁。但这个发生概率就非常低了。

这些对人类生活的影响在高纬度地区更有可能发生，因为太阳风暴携带的大量带电粒子会在地球的两极聚集，这里是地球磁场最强的地方。
同样，在高海拔地区，因为大气比较稀薄，提供的不保护更是高，所以也更容易发生这种事件。

我们可以发现，虽然影响涉及的方面很广，但是却和人们的日常生活有一定的距离。也就是说不是一旦遭遇太阳风暴，地球上大部分人的生活都会遭到严重影响。但为什么在很多的舆论中，大家会对太阳风暴产生一种恐惧感呢？

一方面可能是在潜意识里认为太阳所蕴含的能量非常巨大，所以当“风暴”和“太阳”两个字结合在一起时，总觉得它潜在的破坏力可能比地球上产生的飓风还要可怕。另一方面可能在于，历史上有一些著名的太阳风暴事件，这些典型事件本身比较严重，所以在传播时更容易被人们记住。

比如，发生在1859年的卡林顿事件就是非常经典的案例。当时英国的天文学家理查德·卡林顿（Richard Carrington）正在研究太阳大气层中一团奇怪的黑色斑点，他观察到一道持续了近五分钟的明亮闪光，这是历史上第一次有记录的太阳耀斑活动。

要知道，当时人类刚刚进入电气时代不久，虽然已经见识了电的威力，但是用来传输电网设备还比较简陋，用电驱动的很多设备也缺乏必要的保护装置。而在之后不到48小时的时间，这场耀斑活动释放的巨大能量裹挟着大量的等离子体和带电粒子猛烈地袭击了地球。于是，很多地区的电网在遭受冲击后，出现了大面积断电的现象，一些当时常用的电报机甚至迸发出了火法，引燃并烧毁了部分文件，这也导致欧洲和北美地区的电报服务中断了好几天。

后续有科学家估计，1859年的卡林顿事件已经可以划分到X级太阳风暴，这也是最高级别的太阳风暴。事件本身可能释放了相当于100亿吨TNT炸药的能量。

当然，除了这件有始有终的全程记录，历史上还有很多零星的记录。

为了扩展我们的认识，曾经有科学家尝试通过冰芯研究历史上的太阳风暴。最近，又有科学家尝试研究树木年轮研究历史上的太阳风暴。来自法国科学院、欧洲地球科学研究和教育中心（CEREGE）、地中海海洋和大陆生物多样性与生态研究所（IMBE）、艾克斯-马赛大学和利兹大学的研究团队到法国南部加普（Gap）附近的德鲁泽特河，对被侵蚀河岸中的古树进行了放射性碳含量测量。他们将这些已变为“亚化石”的树干切成一圈圈很小的单个年轮。

深入分析发现，14300年前放射性碳含量出现了前所未有的增长。研究团队将放射性碳的增长与格陵兰冰芯中铍元素的测量结果进行了比较，得出的结论是：这次放射性碳含量的增长是由一场大规模的太阳风暴引起的，这场太阳风暴可能将大量高能粒子喷射到了地球大气中。

在大量研究后，科学家发现：在过去1.5万年中，地球上可能发生过9次类似的极端太阳风暴。最近出现的已知事件发生在公元993年和774年。然而，这场新发现的距今1.43万年的风暴是有史以来最强的太阳风暴，强度大约是这两场风暴的两倍。人们对这些事件的确切性质仍知之甚少，因为它们从未被仪器直接观测到。

我们也拥有空间天气预报来提前发出太阳风暴的警告。这个预测的关键在于区分太阳耀斑和日冕物质抛射，这两个的关系有点像枪口的火光，和射出的子弹。问题是太阳耀斑目前无法预测，耀斑发出的只需8分钟左右就能抵达地球（以接近光速的速度），当我们观测到的时候往往就已经干扰了高频无线电信号或卫星导航。

但日冕物质抛射是相对容易预测的——它们总是开始于一场特别强的耀斑，但移动速度很慢，需要长达3天。而且卫星也可以充当预警系统。那么如果提前知道会发生不比较大的太阳活动事件，就可以及时通知电网运营商采取预防措施，比如降低总体功率输出，或者上线更多备用设备。

讲到这里，我们会发现，其实在大多数情况下，太阳风暴对我们日常生活的影响是微乎其微的，很难出现类似于“整块大陆停电”或是“全国的手机瘫痪”这样的灾难性情况。例如我们前面提到的卡林顿事件，这是我们有记录以来最强烈的太阳风暴，但并没有造成想象中的灾难影响。

可以说明一下，根据太阳耀斑的强度我们可以进行分类，最小的是B，其次是C、M和X，每一级代表能量输出增加10倍，这个和地震的里氏震级类似。与此同时，在每一级内，又有更精细的分类是1-9。但X作为最高的一级，它的分级可以高于9。那么对卡林顿事件，当时负责测量的传感器在X17级的强度停止工作了，之后的估计显示这一次的耀斑强度可能在X45左右。

那么对于最近“超出预期”的太阳活动，原本科学家预测2025年会迎来峰值，但目前的情况也可能预示着太阳活动极大期正在疯狂逼近。但我们不太认为这次事件会达到卡林顿事件的强度。作为参考，今年1月初强烈的太阳耀斑级别在X1~X2之间。而卡林顿事件当时虽然没有足够精确的设备记录，但是根据估计，大概在X40级耀斑的强度。也就是说，我们还把不用那么担心，至少这并不是什么“世界末日”级别的灾难。

可能更需要担心的是，我们目前其实对这样超级耀斑的起源还很不了解，我们也无法预测下一次破纪录的太阳风暴什么时候会到来——这还需要更多的研究。

参考资料：
NASA太阳黑子数据 https://www.nasa.gov/solar-cycle-progression-and-forecast/

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队/作者名称：环球科学

审核：苟利军

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