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作者：劉勇
中國科學院國家空間科學中心
空間天氣學國家重點實驗室
1989年的3月13日凌晨，美國紐約州的山姆被電話鈴聲吵醒了。朋友打電話讓他看窗外。揉揉惺忪的睡眼，山姆打開窗戶望向北邊的天空，他被眼前的景象驚呆了。藍黑色的夜空中，夢幻一般的粉紅色條帶，仿佛一條巨大的紗幔在飛舞。山姆連忙叫醒家人，和他們一起欣賞這難得一見的美景。
當時拍到的極光照片（圖片來自網絡，拍攝者：Ken Spencer）
就在紐約州以北幾百公裡的魁北克省，同時發生著一場靜悄悄的大停電。停電的時候沒有風暴，也沒有暴風雪，是一次沒有任何預警的停電事故。停電發生在凌晨2點45 分，記錄顯示，當時的室外溫度是攝氏零下16到零下20度。在停電後暖氣也停止了供應，室內氣溫急劇下降。當山姆被朋友的電話叫醒的同時，不知道有多少魁北克人被凍醒，然後意外地發現停電了。
這次停電延續了9個小時。第二天早上，蒙特婁市的地下隧道因為停電關閉，行人不得不頂著寒風在地面上行走。開車族面對黑漆漆的交通燈不知所措，交通一片混亂。當上班族好不容易來到上班地點，卻發現公司大樓一團漆黑，電梯停運。人們聚集在大樓門口，等待著電力恢復。
停電使得地鐵停運，學校停課，魁北克的多瓦爾機場也被迫關閉，一些航班被取消。這是一次沒有預先通知的大面積停電，魁北克省的大部分地區都遭遇了這次停電，加上北美其他部分地區，受影響的人數高達600萬，直接經濟損失數以億計。
在這次停電事故中，最尷尬的是魁北克電力。面對這次突如其來的大停電，他們一開始找不出問題的根本原因，把責任推到一段老舊的線路上，卻完全忘記了就在停電之前不到一年，公司曾許諾投資20億美金來改善線路，減少停電發生。說好的改善線路呢？說好的減少停電呢？有的市民甚至提請政府調查魁北克電力是不是有玩忽職守的行為。
當時很少有人把這次停電事故和同時發生的極光聯繫起來。極光通常只能在高緯度地區比如北邊的瑞典、加拿大或者俄羅斯才能看到。這次極光的範圍非常之廣，在美國南部的佛羅裡達州都能看到。極光非常奇特，又正處在冷戰末期。有人甚至以為是當時的蘇聯發射了核武器，還有人錯誤地把這次極光和當天發射的「發現號」太空梭聯繫起來。
引發極光和魁北克停電事故的原因就是磁暴。地球本身就是一個巨大的磁鐵，它的磁場保護著地球上的生命不會遭受宇宙射線的輻射，也保護著地球上的大氣不會逃走。磁暴是地磁場的大幅度擾動。1989年3月13日發生的磁暴非常強烈，Dst 指數達到了-500nT以上。（科學家利用Dst指數描述磁暴的強度，Dst指數達到-100nT 就是強磁暴，達到-300nT以上就是超強磁暴）
磁暴是怎麼發生的？什麼情況下會有超強磁暴？為什麼會引發停電和極光？
引發磁暴的根本原因是來自太陽的太陽風暴。就在3月9日，太陽上發生了一次暴發，瞬間發出的能量相當於成千上萬顆原子彈爆炸，噴發出的等離子體流高速撞向地球。這次太陽爆發雖然強烈，但還不足以導致-500nT的超強磁暴。第二天（3月10日）又有一個更強烈的太陽爆發，比之前那次更猛，速度也更快，爆發出的等離子體雲追上了之前的等離子體雲，組成了一個新的更加有力的等離子體雲團組合結構，當這個結構在3月13日撞上地球時，強烈地擠壓了地球的磁場，引發了一個超強的大磁暴。
地磁場的擾動為什麼會引發停電？我們都知道，拿一個磁鐵在導線圈附近晃動，導線圈就會產生電流。發電機就是利用這個原理髮電的，不過在發電機中，轉動的是導線圈而不是磁鐵。地磁場擾動，相當於地球這個大磁鐵在晃動，結果在輸電線路上產生了感生電流。由於這次磁暴特別強烈，因此產生的電流也特別強，導致輸電線路嚴重過載，引發了這次的停電事故。
極光可以說是太陽風暴引發磁暴的一個副產品。伴隨著太陽風暴，來自太陽的高能粒子也會到達地球，磁暴也會在地球附近的空間產生一些高能粒子，當這些粒子沿著極區地磁場的開口進入地球大氣層時，會激發大氣中的原子、分子發出各種顏色的光，這就是我們在地面上看到的極光。
現在問題來了，為什麼地球上其他地區不停電？都是地球人，為什麼差別那麼大？事實上，這次磁暴在北美引發了大面積的電網擾動（美國有一臺高壓變壓器直接被燒毀了），但是沒有引起大面積的停電事故。具體說來，磁暴對於地面上不同區域的影響是一個複雜的科學問題，一個最簡單的規律就是，離地磁南、北極越近的地方，磁暴影響越大。魁北克停電事故發生時的地磁北極位於加拿大北部，因此，距離加拿大北部更近的魁北克也比美國大部分地區離磁極近多了，所以受到的影響更大。
得知引發停電事故真正原因的魁北克電力終於鬆了一口氣，隨後他們宣布，這次停電不是我們的錯，是因為我們所處的地理位置。
地磁場北極正在從加拿大北部向更北移動，如果繼續保持這個趨勢，若干年後，將會靠近中國。
我國所處的地理位置離地磁場的北極比較遠，即使有太陽風暴引發磁暴，在我國引發停電的可能性也不大。不過最新研究顯示，地磁在不斷的移動變換位置，我國也應該做好相應的準備。
我國所處的地理位置離地磁場的北極比較遠，而且最近太陽處於活動低年，太陽活動少，就連強磁暴都很少發生，更不用說超強磁暴了，但並不能因此放鬆警惕。已經有研究表明，2012和2017年都有類似1989年的超級太陽風暴發生，只不過沒有對準地球，所以沒有在地球上引發磁暴。另一方面，地磁北極在不斷的變換位置，現在正從加拿大北部朝更靠近我國的俄羅斯方向移動。我國也不能掉以輕心。
歐洲空間局和中國合作研製的SMILE 衛星計劃，研究地球空間環境對太陽風暴的響應，揭示磁暴發生的規律。
（圖片來源：歐空局）
來源：中科院之聲