太陽,圓潤而平靜,然而它也會突然朝隨機方向射出輻射和粒子,這些物質擊中地球後會對地球上的生命造成嚴重的影響,這種危害是如何產生的?危害又會有多嚴重?我們如何能做到未雨綢繆!
等離子體被太陽磁場塑造成有形狀的狀態
即使太陽看起來非常結實,但它實際上更像一片滾燙的海洋,溫度高到可將原子分解,釋放出的電子和原子核相互環繞流動形成等離子體,等離子體被太陽磁場推動並塑造成一定的形狀,就像太陽的重力場延伸向各行星並將它們束縛在公轉軌道上一樣,但是磁力和重力有很大的區別。
磁力——屬於一種被稱作電磁力的複合力,電流產生磁場,磁場又產生電流,在太陽表面,帶電質子和電子組成的等離子體,在運動時會產生磁場,這個磁場促成了粒子的定向流動,粒子被困在名為「太陽發電機」的一處動態反饋迴路中,也就是它維持著太陽的磁場,這個磁場儲存著巨大的能量並不斷向太陽系釋放,它帶有一小股持續的太陽粒子流,就像一陣小雨,因此名為「太陽風」。
它的存在好比太空中的氣象,但它並不總是如此平靜柔和,隨著太陽的等離子體圍繞自身攪動和流動,它的磁場會受到很大的幹擾因此會變形扭曲,這個過程產生並匯聚了巨大能量的磁結,當磁結像繞在一起的彈簧一樣爆發性地分裂開來,太陽會將等離子體這種可怕的能量噴向太陽系。
太陽風暴有兩種形式
太陽風暴有多種形式,比如「日暈」,一種潮汐性的高能輻射波動,它們以光速穿過太陽系,將太陽風中的質子一掃而空,將質子加速形成高速太陽質子風暴,接著發生物質拋射「日冕」,將數百萬或數十億噸的等離子體從太陽的大氣層中剝離,並向太陽系彈射出去,速度高達900萬千米/小時,當這些等離子體會擊中地球,地球表面卻安然無事,但是即使是較小的風暴也能對衛星造成損傷,影響無線電通訊或者是威脅太空人的生命健康,對於生活在地表的人們來說,空間氣象是無害的,地球的大氣層會保護地球免受日暈最嚴重的傷害,在X射線衝擊波到達地面之前,高空大氣層已將其吸收殆盡,日冕物質拋射中的電氣化等離子體被地球磁場偏轉,將能量風暴偏轉至地球兩極,在那裡高能粒子落入大氣層內,導致大氣發光形成美麗的極光。而極光正如所有天氣一樣,多數情況下並無大礙。
圖解:圖片中的圓圈為「日暈」
然而有時也會有風暴,而對於太陽來說那就是超極太陽風暴,超極太陽風暴每個世紀只會發生一到兩次,如果今天發生了一次的話,首先我們會觀察到日暈非同以往地強烈,這就好比轟雷之前的閃電,這裡指的轟雷就是一次日冕種物質拋射,含有數十億噸的熱磁等離子體,一天之內便能穿越地球與太陽之間1億5000萬公裡的距離,當它抵達時,它造成的衝擊波會靜靜地抑制地球磁場,並且將能量導入磁層,但情況可能變得更糟,如果日冕物質拋射的磁場和地球磁場恰好以某種方式匹配,兩個磁場將會合併,隨著磁雲經過地球,它會把磁場拉伸出一條長尾巴,最後,尾巴中的能量超過負荷,它會折斷並且朝地球爆發出能量,於是一場地磁風暴發生了。若是發生在幾百年前,人們根本不會在意,因為席捲地球的「地磁風暴」和「骨肉之軀」毫無關係,但它和金屬及電線組成的機器有很大的關聯。
圖解:被日冕包圍著的恆星
太陽風暴的危害
「太陽發電機」——磁力產生電流,21世紀的地球遍布上百萬公裡的輸電線以及大量諸如變壓器一樣的維持輸電的機器,日冕物質拋射可以在電網中產生電流,要麼完全使機器停止工作,要麼會更糟,摧毀維持電網運行的變電站,其實這種情況已發生過了:
案件一:1989年魁北克電網在一次強烈的太陽風暴後癱瘓。
案件二:自有記錄以來第一次席捲地球的太陽風暴發生在1859年,卡林頓事件是地球上觀測到的最大規模的磁風暴,極光大量出現,南至加勒比地區也能看見,在某個區域的人們還誤以為是天明而起床了,值得幸運的是當時擁有的電子科技是只不過是一個電報系統, 卡林頓事件造成全世界的電報系統都癱瘓了,而今天我們擁有了更多的電子科技,恐怕就再也不會像「電報系統」那麼幸運,終究會有一場大型太陽風暴發生在未來某刻。
圖解:極光
案件三:2012年,一場和卡林頓事件時相同強度的太陽風暴和地球擦肩而過,研究估計它本可能對全球電力系統造成嚴重危害,僅在美國就會造成高達2.6萬億美元的損失,不但如此,更換所有受損的電力系統大約需要4-10年的時間。
太陽風暴事件每10年就有12%的概率會發生一次,在將來50年間發生的概率是50%,還有更壞的消息,就算是太陽這樣平靜的恆星,每隔幾千年也會產生超級耀斑,噴發量級強於目前的太陽系,如果一場風暴在毫無準備的時刻降臨後果將是災難性的,由於我們對電力的依賴程度可想而知,不只是家用電燈會受到影響,它還意味著計算機、通訊工具和導航系統的全面癱瘓,而一場持續的電力中斷會導致供應鏈崩潰以及供水系統的癱瘓、醫院發電機停轉、超市斷貨、農作物在田地裡腐爛,能源匱乏讓重啟電網變得極其困難,因此重啟文明大概要花數年或數十年之久。
圖解:恆星耀斑噴發
黃媂·結語
幸運的是,就算太陽風暴無法避免,現在科學的能量能預防這些太陽風暴,通過觀測太陽的活動,可以提前幾小時甚至幾天時間發現日冕物質拋射的時刻,管理維繫這個世界運作系統的工程師,會模擬出太陽風暴的威脅,提前把變壓器和變電站關閉,進行短暫保護性的斷電,工程師可以開放額外線路釋放額外的電力,目前可以在最猛烈的風暴下保護地球的電網,在風險可控時做一些準備。