过万圣节吗？一起研究太阳风暴的那种|铮铮有声

　　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/1024x768/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。