「卡林頓」事件指的是發生於1859年9月的一場超級太陽風暴,來自於太陽日冕層的大量高能粒子流強烈衝擊到地球的磁場。當時正好處於第一次工業革命的迅速發展時期,以「珍妮機」、「蒸汽機」等眾多工業機器的發明和應用為主要標誌,人類社會文明發展程度和速度超過了歷史上任何一個時期。當時無線通訊技術剛剛起步,比如電報系統的應用已經較為普遍,這場太陽風暴對全球電報系統造成了嚴重的危害,許多電報發射機器和信號發射塔據說都冒出了火花,以前僅在地球兩極區域出現的極光現象,一直蔓延到緯度20多度的低緯地區,這種現象在歷史記載中從未出現過。由於此次事件是由英國天文愛好者卡林頓首先發現的,因此人們將此次事件命名為「卡林頓」事件。
後來,科學家們通過研究發現,這種現象的產生歸結於太陽表面的劇烈活動,也就是太陽耀斑的爆發,由於當時工業技術發展水平的限制,如今大量現代化的電氣設備還沒有發明出來並加以應用,再加上觀測技術的不成熟,人們對這場太陽風暴危害實際所達到的程度並沒有太明顯的認知。那麼假如這樣的事件發生在當代,那麼對地球會產生什麼樣的影響呢?
首先我們來看一下太陽風暴是如何產生的。太陽風暴實際上是由太陽向外釋放的大量帶電高能粒子流所組成,由於其具有很高的運動速度,就像地球上形成的風暴一樣因而得名,只不過組成「風暴」的物質,地球上是空氣分子,而從太陽上釋放出來的主要是質子和電子,同時攜帶著伽馬射線、X射線、紫外線等高能射線。
從太陽的結構來看,主要可以分為兩大部分,一個是內部結構,另一個是外部結構,其中內部結構包含內核區、輻射區和對流區,這三個區共同構成了太陽的光球層。其中內核區是發生核聚變的場所,通過質子-質子的鏈式反應將氫聚變為氦,同時釋放相應的能量,這裡是太陽向外釋放光和熱的源泉,能量從內核區產生之後,通過輻射區和對流區逐級地向外釋放,在核聚變過程中產生的伽馬光子攜帶的能量,在內部輻射區和對流區中重複進行著被等離子體吸收和重新激發釋放的過程,當經過漫長的幾萬年甚至幾十萬的時間才到達太陽表面,從而以不同能級的射線方式釋放到宇宙空間中,組合成了包含伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線以及無線電波等共同組成的電磁波。
對於外部結構來說,包括色球層和日冕層,其中色球層是由等離子體所構成的強磁場區域,不過磁場的分布具有不均衡性和不穩定性,而較強磁場的區域會在一定程度上阻礙內部能量向外的傳輸,從而發生能量蓄積,在這些區域內形成溫度高於周圍的耀斑。日冕層是太陽外層的大氣層,主要組成物質是自由質子和電子,當色球層中某些區域耀斑的能量積累到一定程度之後,就會使周圍形成許多長條形或者不甚規則的暗黑區域,科學界稱之為冕洞,這裡的磁場環境屬於開放型,日冕層中的自由質子和電子這些等離子體,就會沿著這些向宇宙空間中延伸的磁力線發生劇烈運動,從而有較大機率突破太陽引力的束縛,形成高速的粒子流向外釋放,於是太陽風暴就這樣形成了。
從歷史監測數據來看,太陽風暴的形成具有一定的周期性規律,一般25年左右就會迎來一次高發期。比如,從1868年以來,波級全球的超級風暴共發生了大約42次,其中有6次對地球的衝擊非常嚴重。如果從太陽風暴的強度來看,每25年左右的周期上實際都差不多,之所以對地球的影響程度不一樣,主要原因在於太陽風暴產生的高能粒子流運動具有一定的方向性,如果地球正好處於其行進的主要方向上,那麼對地球的磁場影響將是非常明顯的。就像之前提到的卡林頓事件,以及1921年和2003年出現的超級風暴就都屬於這種情況。
幸運的是,地球擁有著一個相對穩定和適宜的磁場環境,當太陽風暴到達地球時,地球磁場會使高能粒子在洛侖茲力的作用下發生偏轉,從而很大程度上阻擋了這些高能粒子直接轟擊地球表面,在這種保護作用下,太陽風暴中的粒子一部分被反彈回宇宙空間,一部分發生偏折繞過地球,只有一小部分沿著地磁線的方向被引導至地球兩極的上空。
不過,當超級太陽風暴到達地球時,無論是帶電粒子的密度,還是所攜帶能量的強度,抑或是持續的時間都要比平常猛烈得多,對地球磁場的影響程度也要明顯加大,因此,對於在地球大氣層中上部工作各類衛星、高緯度的電網、地球通訊和導航系統、各類電子產品的正常穩定運行等都將產生重要影響,嚴重時(比如卡林頓事件那樣的超級太陽風暴直達地球)會使各類電器、通訊和導航儀器設備失靈甚至報廢,人類百年來電氣化工業和太空事業的發展將遭受重創,一夜回到「解放前」,但還遠遠未達到使地球進入「世界末日」的程度。
對於這種超級太陽風暴,我們目前能夠做到的,僅僅是從加強空間天氣預報體系建設方面著手,實施有效的提前監測和預報,根本不具備從地球磁場外部加以阻攔的源頭控制能力,也就是說只能夠採取一些關閉電器的電源、暫停衛星工作、減少電力輸送負荷等被動措施為主。