12.7

知识分子

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图源:pixabay

撰文丨李珊珊

12月1日,来北京看极光,看“整个宇宙为我闪烁”——一句比“跟我去看流星雨”更引人的标语,让大量公众关注到了之前几乎从没人注意过的地磁暴现象。

中纬度地区北京为何能看到极光?

极光,是由来自太阳的高能带电粒子“钻入”地球大气层,与大气相互碰撞产生的某种绚烂的“太阳系烟花”。因为地球有地磁场的保护,大多数时候,这些来自太阳的粒子被地球的磁场捕获储存起来,当这些微粒多到无法被全部捕获时,它们就沿着磁力线,从位于地球南北极的磁场开放区域钻入了大气层,人们才看到了极光。这块以地磁极为中心的卵形区域,便被称为极光卵。而像北京这种位于北纬40度的中纬度地区,距离极光卵相当遥远,这次,居然也看到了极光。

国家空间天气监测预警中心工程师韩大洋向知识分子解释,这是因为近期的几次太阳爆发——日冕物质抛射(CME),即太阳上方的一团大气被太阳磁场以很高的速度推出来。这种抛射活动的粒子速度可以达到每秒几百甚至上千公里,相当于炮弹出膛速度的1000倍。

“世界时11月27日有3次日冕物质抛射抛射,28日发生了最大的一次,前面的3次如同为最后1次做了铺路开道一般的效果”,这些来自太阳的粒子带着能量来到地球,对地球的磁场产生了巨大的冲击,根据国家空间天气监测预警中心的监测:北京时间12月1日17时至12月2日11时共18个小时内,地球出现了3小时Kp为7的大地磁暴,3小时Kp为6的中等地磁暴,以及11小时小地磁暴——Kp指数是用来表示地磁暴强弱的指数,反映的是每三小时地磁活动的情况,Kp的最高值为9。

此次北京能够产生极光,韩大洋做出他的判断:“第一个原因是这次的太阳活动比较强,引发的地磁暴强度比较大,其次,可能是因为极光卵的边缘出现了较大的齿状突起,同时,极光向南的延伸刚好正对着北京的方向;第三个原因则是近期北京的空气质量很好,能见度极高”。于是,在距地高度约100-400公里的电离层中,来自的太阳的粒子与地球大气碰撞制造发光,一系列巧合下,高空中的光影秀这才被北京地区看到。

而对于这场日冕物质抛射的原因,南京紫金山天文台研究太阳物理的博士研究生滕伟霖向知识分子解释:“最大的一次日冕物质抛射,应该是源于太阳南半球的一个黑子活动区”。

太阳黑子,一个公元前就被人类关注到了的太阳上的黑斑,是太阳平静外表之下隐藏的一块“不稳定因素”,利用特殊的滤镜对着太阳仔细观察即可以看到太阳上大的黑子(重要安全提示:绝不可直接用望远镜观测太阳,会致盲)。人们很早即认识到了太阳黑子可以作为太阳活动的表征,1843年,德国业余天文学家史瓦贝坚持17年观察和统计太阳盘面上黑子变化的平均数量后发现太阳的活动是呈周期性的,这便是太阳周期。目前我们知道,太阳黑子数量的变化大约平均每11年一个周期,在一个太阳周期中,太阳活动先逐渐增强再逐渐变弱。目前,我们处于第25个太阳活动周中太阳活动的上升期。

图说:NOAA发布的太阳黑子活动趋势图,灰色区域和平滑曲线为预期,折线为实际观测值。图中可见,太阳活动的上升幅度超过预期。

“要理解黑子,可以把太阳比作一碗沸腾的粥,在太阳近表面的对流层,炙热的等离子体不停地翻滚,也把热量从太阳的内部往外传输。而黑子,通常就是强磁场聚集的位置,磁场抑制了对流,使得黑子区域的温度和亮度都要低于周边,所以从外面看,它就是太阳大火球上的一块黑斑。”

然而,哪里有压迫哪里就有反抗,正是因为有强磁场的存在,黑子及其周边也是太阳活动剧烈的区域,那些影响到地球的太阳风暴往往因此而起。这些太阳风暴中,不仅包含日冕物质抛射,还包括耀斑,即太阳发出的全波段电磁波骤然增强的情况。

“本次日冕物质抛射之前发生了一个接近X1级的太阳耀斑,级别为M9.8级”,滕伟霖解释道。耀斑的分级通常分为A、B、C、M、X,字母越靠后级别越高,级别每增高一级,强度增大十倍。

一旦耀斑发生,通常只需要约8分钟30秒即可到达地球,一次大的耀斑破坏性极大,其发射的X射线和紫外线会影响地球的电离层,直接影响近半个地球的无线电通讯,携带的分米波长的微波则会直接干扰雷达和使用这些波长的仪器与设备的操作。

没错,以日冕物质抛射与耀斑为代表的太阳风暴为地球所带来的,却不仅仅是极光这种视觉盛宴。

超级太阳风暴

是仅次于小行星撞击地球的天文灾害

太阳活动所带来的灾难中,最令人印象深刻的是1859年的卡林顿事件。在是在第10个太阳活动周的极大期附近,1859年的8月底,太阳上出现了许多黑子,很多地方夜晚天空明亮且颜色多变。到9月1日到2日,极光出现在世界各地,古巴、夏威夷、日本和中国的南部都可以看到极光,北半球的极光在赤道附近的加勒比海地区都可以看见,在美国的东北部,人们可以在极光下阅读报纸。与绚烂极光相伴的,是当时最为高科技的通讯系统——遍布欧洲和北美的有线电报系统失灵,正在操作电报的工作人员遭到电击,电报塔发出火花……

那是人类有记录以来最大的太阳风暴,据估计,这种规模的太阳风暴如果发生在现代,可能将造成大规模电力中断、通讯中断……从而导致一些难以预料的严重后果。

“在自然灾害中,超级太阳风暴的危害仅次于小行星撞击地球,而且,越发达的国家和地区受到的影响便越大。”韩大洋向知识分子提到。国家空间天气监测预警中心成立于2002年6月1日,其主要职责便是连续监测太阳黑子、暗条等,并对可能发生的太阳风暴做出预报预警,并对国家相关部门和行业提供空间天气服务。

日冕物质抛射与耀斑等太阳活动所带来的影响,极光?那只是顺便制造的罢了。

“电网会遭到摧毁,大型变压器会被由特大地磁暴制造出的巨大电流烧毁,从而造成全城规模的大断电事故。”

“飞机航班的通讯会受到影响,从而造成棘手的’失联’,所以,在太阳活动高年,很多穿过极地的航班都被迫修改航线甚至取消航班。”

另一个会受到影响的是卫星。卫星所受的影响有两种,“当地磁暴发生时,地球高层大气受热膨胀,膨胀的大气给低轨卫星带来额外的飞行阻力,也就是航天常说的大气拖曳作用。”2022年,一场太阳活动带来的地磁暴一口气拉下了38颗星链卫星。而即便对于已经入轨的卫星,“来自太阳的高能粒子也很容易造成卫星核心部件的损坏或者寿命降低,甚至造成静电击穿,使得卫星直接无法工作,而这些卫星的影响反映在地面上,往往便是导航、通讯系统的失灵。”

还有一些动物,比如,靠地磁定位的信鸽,会受到太阳活动的影响,“信鸽协会与我们(国家空间天气监测预警中心)的联系是非常密切的,他们的赛事都需要考虑空间天气预报”,韩大洋提到。

在国家空间天气监测预警中心,“通常,日冕物质抛射比耀斑的影响要大得多,耀斑的速度最快,是光速,一旦发生,很快就能到达地球,日冕物质抛射则不同,其发出的高能粒子往往需要2-3天才能走完1.5亿公里的日地距离到达地球,“这就给了我们一个反应时间”。

太阳风暴的危害还表现为,我们对高科技、卫星通讯、全球网络的依赖越高,在太阳活动面前,便会越脆弱。2003年10月到11月,西方万圣节前后,一场太阳风暴曾使得大量卫星受到影响,乃至完全失控。这种情况干扰了全球范围内的通讯活动,海事卫星电话系统瘫痪,GPS导航定位精度大幅降低……为了避免辐射对人体的伤害,飞机航班不得不降低高度,甚至国际空间站里的宇航员也不得不紧急转移到了临时休息舱避险。

2012年年中,太阳上曾发生了一场规模可能与卡林顿事件事件相当的日冕物质抛射。人们曾战战兢兢地想像过一个最坏的场景——暴露于太阳风暴下的人造卫星被摧毁、多地变压器被烧毁,电力系统瘫痪。预计,遭到袭击后,人类需要在通讯受阻的情况下断电长达数月……幸而,那场日冕物质抛射发生在了太阳背对地球的一侧。

然而,在将来,我们会有那么幸运吗?

我们要如何看待极端空间天气事件?

2012年2月,那次危险的擦肩而过之前,专注于空间天气预测预警的美国私人机构预测科学(Predictive Science)创始人皮特•赖利(Pete Riley)在Space Weather杂志上发表了一篇预测文章提到:“未来十年发生卡林顿事件的概率约为12%”。

而在那场擦肩而过的超级太阳风暴之后,科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室主任丹尼尔•贝克(Daniel Baker)在同一本杂志发表文章声称:“我们先进的技术社会确实非常幸运”,根据贝克的预估,如果同样的日冕物质抛射在春分期间撞击地球,后果将不堪设想,思考“21世纪的现代技术如何在如此严重的太阳风暴事件中发挥作用”是一个亟待解决的问题。

2020年,美国航空航天局(NASA)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的第25个太阳活动周预测小组宣布,自2019年12月起,太阳迈入了宁静的第25个周期。根据当时的预测,自1980年代以来,太阳的活动一直呈明显的下降趋势,与过去50年间的大部分时间相比,在未来11年内,太阳活动减少的趋势将持续下去。研究小组还预测:太阳活动将在2025年7月达到极大值,并在2030年左右回到极小值。

而到了今年的10月25日,NOAA发布了对第25个太阳活动周的太阳活动的修订预测,新预测中提到:”与专家小组2019年12月的预测相比,太阳活动将增加得更快,峰值水平更高”。更新后的预测显示:第25个太阳活动周中,太阳活动将在2024年1月至10月之间达到峰值。

不过,我们需要注意的是,贝克在2012年的论文中曾特意写到:“我们注意到,本次太阳风暴发生在许多人认为太阳活动非常弱的时期。这再次表明,即使在太阳周期较弱或中等的时期,也可能发生极强甚至极端的空间天气事件。”

那么,我们需要如何看待极端空间天气事件,这把悬在越来越依赖科技成果的人类头顶上的达摩克利斯之剑呢?

更加精确的预报与预警能力非常重要。滕伟霖向《知识分子》解释:正如先前所说的,“日冕物质抛射传播到地球需要一定时间,我们可以利用好这样的时间,研判日冕物质抛射的初始磁场结构以及它在行星际空间中传播的过程,来更好地预测它到达地球的时间以及可能造成的影响,并向社会提前发出预警。”事实上,对于本次地磁暴,包括中国国家空间天气监测预警中心在内的全球各大预报机构,均提前2天左右给出了较为准确的预警,部分“极光猎人”正是看到了预警才一路向北踏上了逐光之旅,并最终满载而归。准确的预警可以有效减少空间天气事件的损失,而随着观测资料越来越多,人们对空间天气事件的预报能力也正不断进步。因此,对于极端的空间天气事件,我们需要做好预测与预案,但不需过分担忧。

从更大的时间尺度来看,作为黄矮星的太阳,寿命一般为100亿年,而今天的太阳大约45.7亿岁,正值最为稳定的壮年。虽然会有些小脾气,偶尔在人类的惊叹声中,用缤纷的色彩点亮我们的夜空,但等到第二天的清晨,它仍会准时出现在那里,喷洒着稳定的光与热,温暖着这颗生机勃勃的星球。