過萬聖節嗎？一起研究太陽風暴的那種|錚錚有聲

出品：科普中國

製作：王錚（中國科學院國家空間科學中心）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

每年的10月31日是西方的一個傳統節日——「萬聖節前夜」（Halloween）。在這一天，除了有許多與鬼怪相關的特色節日活動，而且在歷史上的同期還出現過以它命名的科學現象。

△「萬聖節」主題插畫（來源：http://big5.wallcoo.com/holiday/halloween_06/wallpapers/1024x768/Halloween_wp_by_TwistEd_Ky0.jpg）

萬聖節不只有鬼怪，還有太陽風暴

歷史上有一個以「Halloween」命名的太陽風暴事件，那就是2003年的「萬聖節風暴」。2003年，太陽進入了第23太陽活動周的極大期，太陽表面的黑子數達到了11年以來的極大值，從而使太陽進入了異常活躍的狀態。2003年10月末至11月初，太陽上的一系列爆發事件（也就是「太陽風暴」）給地球的空間環境帶來了災害性的影響。由於這些爆發事件的發生時間恰好與萬聖節、萬聖節前夜的時間點重合，太空（空間）科學的研究者們普遍將這次爆發事件稱之為「萬聖節事件」。

這個事件非常有名，因為它讓人類實實在在看到了太陽風暴對現代文明傷害的威力。

首先，由於高空電磁場擾動對地面輸電線路的影響，瑞典5萬人的電力供應中斷。為了避免類似的危機，美國新澤西的兩處核電站被迫降低了功率。

其次，全球範圍的通訊受到了幹擾，例如海事緊急呼叫系統癱瘓，珠峰探險隊通訊中斷。GPS定位精度大幅下降。美國國防部承認，因為通訊困難，他們取消了一次海事任務。

第三，越過極區附近的飛機航線大量中斷和延誤。為了避免飛機乘客和機組人員受到輻射的傷害，其他飛機被指示在更低的高度飛行，來受到更厚的大氣層的保護，但相對地要額外消耗總計上百萬美元的飛機燃料。航空的地理和地磁探測任務因為儀器無法工作而都被取消。阿拉斯加的石油和天然氣開採也被迫中斷。

第四，極光通常只出現在南北極附近，但這次事件中，在美國的德克薩斯州和佛羅裡達州（約北緯25-30度區域）都可以看到極光。

△2003年美國休斯敦出現的極光（來源：http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrsFSQoF4XDKLlKYMra8ASiaNMBXK17KCeLWqibwk3CZIo6JT5HHrmI3MHDictBC4yuP6Zw/640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1）

此外，幾乎所有的衛星都報告受到損害或影響（甚至失控），多顆衛星一段時間內進入安全模式。國際空間站被迫關閉了機械臂和飛船工作站，工作人員臨時中止一切任務，並多次進入防護艙中躲避。

我們稱這些宇宙空間的活動為「空間天氣」。就像風雨雷電這樣的擾動的天氣一樣，「空間天氣」也是平靜中的一絲不平靜，並且同樣會對人類生活產生諸多影響。

△勞埃德（Lloyd）公司的空間天氣風險評估報告封面（來源：https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180703/da59406c09b44130a795545e3948793b.jpeg）

我們該如何應對太陽風暴？

正因為我們現在如此依賴電子設備，所以太陽風暴引發地球範圍的電磁擾動的傷害會如此巨大，因此勢必要有所準備、做好抗災措施。據說，只需要提前十幾秒的地震預報，就可以挽救成千上萬的生命和財產損失。那麼，科學家們要怎麼預報像這樣龐大的太陽風暴呢？

很多朋友都聽說過的「太陽黑子」。科學家之所以孜孜不倦地記錄太陽黑子的數量（真的是靠眼睛數的），是因為太陽活動的強弱與太陽黑子的數量息息相關，太陽黑子多，太陽活動就比較頻繁，容易出現風暴，反之則比較「平靜」。

太陽也和地球一樣是自西向東轉的。當我們提前幾天看到大量的黑子出現在太陽圓盤左側邊緣的時候，就可以預見到幾天後太陽轉過來黑子正對地球的時候，很可能會有很強的太陽風暴向地球襲來。

例如2003年這次萬聖節風暴，在10月26日，SOHO衛星觀測到被標記為10486號太陽活動區的黑子區域增大到了地球的10倍以上，已經可以在地球上用肉眼看到。兩天後的10月28日，隨著太陽和地球的相對運動，這個區域幾乎正對著地球，也就是下圖中太陽光球層成像中左下角的區域。

△2003年10月28日拍攝到的太陽黑子，中下偏左的黑子區域早在10月26日就可以看到出現在更加靠左的位置（來源：http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrsFSQoF4XDKLlYvcvxD8xc4yTiaMbKpjvzZ4iaxd93lOAID2fUdfqSknnFEkgNgatWXog/640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1）

正如我們剛才提到的，地震預報分秒必爭，可以挽救大量生命和財產損失，這其實不是在發生地震前預知到發生，而是提早一步接收到已經發生的地震的波動，並通知大家避難。在太陽風暴方面也是如此。我們剛才提到的SOHO衛星，就是一顆始終飛行在地球和太陽之間的衛星。這樣一來，太陽上的風暴首先要經過的是它身邊。

太陽在強烈活動的時候，會向外發射各種電磁輻射。從波長短於1埃的γ射線和X射線，直到波長達幾公裡的射電波段，幾乎全波段的電磁輻射都有增強的現象。而它們是以光速向地球傳播的，僅需8分鐘就到達地球。人類肉眼或者是用SOHO這樣的衛星「看」到太陽爆發活動（耀斑）的時候，這些輻射基本已經到達地球了，所以基本是來不及提前告知的。這些只能依靠上文所說提前判斷太陽黑子之類的辦法來預測。

不過，太陽風暴對地球電子設備影響最大的主要是它能量極高的帶電粒子，這些粒子的飛行速度遠遠不到光速。太陽耀斑（如下圖所示）直接發出的高能粒子輻射，能量高、速度快，速度可能有光速的1/10左右，我們「看」到太陽上明亮的耀斑的時候，就要趕緊開始做預備了。但是這種輻射是肉眼看不到的，需要藉助儀器。

△太陽極紫外輻射圖中的耀斑（中下偏左）（來源：http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrsFSQoF4XDKLlhA9fcW0ymicr9tIGa5C3tulRU53FyFeCmcnJKDicRAMwpibolOMmhKPoA/640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1）

還有一些太陽粒子，是一團一團地噴發出來的，我們稱為「日冕物質拋射」，它是太陽系內規模最大、程度最劇烈的能量釋放過程，會把比地球體積還大、和大山一樣重的大量高能粒子噴發到宇宙空間中，並且其中攜帶著太陽磁場。

這種太陽粒子的速度範圍約為20-2700 公裡/秒，平均速度是489公裡/秒。在我們「看」到耀斑之後，還沒有那麼快抵達地球。它們甚至是可以提前被「看」到的。比如下圖，遮擋住中間太過明亮的日盤之後，可以看到「日冕物質拋射」這樣大團的火焰向許多方向發射。如果現在看到左側（太陽西邊）有日冕物質拋射，那隨著太陽自西向東轉，幾天之後的地球就要小心了。

△遮擋住中間太過明亮的日盤之後，可以看到「日冕物質拋射」（來源:http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/m09NRoMqcuypcLqM9ibcrsFSQoF4XDKLlch2M12CD5xrIVJIU0Bt2zwzHg5ueUY8hBrHE5kKHDVPt4kgsicl7OCw/640?tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1）

像SOHO衛星這樣處在太陽和地球連線中間的衛星，距離地球約有150萬公裡。日冕物質拋射的速度範圍約為20-2700公裡/秒，平均速度是489公裡/秒。假如500公裡每秒的日冕物質拋射經過SOHO衛星時，它向地球以光速的無線電波發出警告，警告大約可以比日冕物質拋射提前幾十分鐘傳達地球。

太陽還有一些粒子釋放到太空中的活動，但比日冕物質拋射又弱了許多，這些被稱為「太陽風」（solar wind）。太陽風通常是連續發射、持續不斷的，密度非常低。但是，在太陽風暴期間，其「風速」和能量也免不了要大大上升。與日冕物質拋射的區別就是，日冕物質拋射是很強的風暴時間放出來的，就像火山爆發一樣。太陽風平時就在一直「刮」，好像河流一樣，在汛期會突然漲水。

這些太陽風的速度可能也是幾百公裡每秒，同樣可以由24小時工作的衛星們監測風速、磁場方向、磁場強度、粒子能量等等，一有擾動就可以告知地球。另一方面，一些能量高、速度快的太陽風被認為是從太陽上發暗的區域——冕洞裡放出來的，冕洞的出現和大小同樣可以提前觀測，從而預測太陽風。下圖就是冕洞的照片。

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

太陽風相對持久，可能幾十天後還在「刮」。太陽自西向東旋轉相對於地球的周期是27天。所以，如果我們現在接收到冕洞中強大的太陽風，27天後，這個冕洞又轉了回來朝向地球，仍然有可能有很強的太陽風。我們提前27天就做了準備，這也是一種預報。