作者:王劲松 来源:光明日报 发布时间:2018/9/2 9:20:55
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来自太阳的风暴:人类走向太空时代的挑战与机遇

 

    王劲松 中国气象局研究员,博士生导师。
主要从事空间物理和空间天气监测预警等方面的研究。
曾获中国青年科技奖等奖励,入选新世纪百千万人才国家级人选、国家万人计划科技创新领军人才等人才计划,享受国务院特殊政府津贴。现已发表学术论文130余篇。
 

2015年艺术家所绘的太阳风暴击中火星概念图,显示了太阳风暴击中火星并使火星产生极光的场景。
光明图片/视觉中国
 

空间天气对人类的影响示意图
 

太阳风暴导致挪威上空出现的北极光(2015年摄)。
光明图片/视觉中国
 
 
演讲人:王劲松 演讲地点:中央党校 演讲时间:2018年7月
 
故事要从159年前说起
 
空间天气是如何产生的空间天气对人类的影响对于空间天气,我们能做什么?
 
在开始今天这个题目的叙述之前,我们先设想这样一个虚拟场景:
 
三伏天的夜间突然醒来的你,发觉异常闷热,这才发现室内的空调并没有在工作,你摸索着抓起空调遥控器按下开关,但是无论怎么按,仍没有听到那期待的空调制冷声。
 
你觉得奇怪了。然后去开灯,灯没亮;按开手机后,你发现,WiFi断了,手机信号也没了……
 
这下你清醒了过来,你走到窗边拉开窗帘,发现外面天空泛着红光,而地上则是一片黑暗与寂静。紧接着就是一片嘈杂,一个个惊慌的家庭发现不光供水、供电中断了,连通信、网络、信息系统都已无法使用。
 
到这里,我们这个故事告一段落。实际上,以上所陈述的,并不完全出于科学幻想,其中一部分内容是我们人类历史上曾经真实经历过的。
 
1859年9月1日,英国天文学家卡林顿在对太阳黑子进行常规观测时发现了异乎寻常的现象,太阳黑子周围突然出现极为明亮的条状白光,持续数十秒后逐渐减弱。数分钟后,英国格林尼治天文台和基乌天文台都监测到地磁场出现了剧烈波动。17个半小时后,地磁波动强度超出仪器测量范围。
 
与此同时,全球多地电报台站的操作员反映设备异常,发报机自身在闪着火花,电线发热甚至被融化。而平时只在南北极地区才能见到的极光,一直延伸到了古巴和夏威夷,人们都震惊于夜空中诡异的红色。
 
值得注意的是,在我国的历史文献中,也能找到这次事件的踪迹。清代《获鹿县志》记载:“咸丰九年(公元1859年)七月夜,红光起于西北,亘于东北,经三夜始散。”
 
这是迄今为止人类遭遇的最强的一次太阳风暴。后来人们也称此事为“卡林顿事件”。某种程度上说,我们应该为这场自然灾害“提前”159年爆发而感到幸运——因为当时人类的科技水平还不足以将太阳风暴巨大的破坏作用完全展示出来。
 
而159年过去了,如果科技发达的人类不重视此类灾害,那么,则很难说未来的我们是否依然会“延续好运”。
 
那么,这种与地球上的风雨雷电迥然不同的灾害是什么呢?为了解答这个问题,我们今天就来共同探讨一个相对陌生的概念——空间天气。
 
空间天气是如何产生的
 
地球上生命的存在,依赖于太阳的存在。如果太阳消失不见,不出几个月,地球上百分之九十以上的生命都将无法存活。而正是这个给我们光和热的太阳,却经常会狂躁不安,使得看似宁静而空虚的太空中充满各种变化和冲突。如同地球大气中存在风雨雷电一样,太阳的躁动会导致太空中存在一种特殊的“天气”现象——空间天气。
 
太阳距离我们约1.5亿公里,它除了一刻不停地向外释放着光和热之外,还释放出大量的看不见的微小粒子,著名科学家帕克给了这些粒子流一个极其文艺的名字——太阳风。太阳风充盈着整个太阳系,我们的地球和它的行星兄弟们实际上就浸泡在太阳风之中。太阳风为空间天气提供了基本的背景,太阳的其他活动则导致空间中风暴的出现。
 
所谓太阳的其他活动,与太阳黑子有深刻的联系。人类首个黑子记录是公元前28年我国汉朝时期的一次观测,而在伽利略使用望远镜观测太阳200多年之后的1843年,德国天文爱好者施瓦布发现太阳黑子的多少存在一个大致11年的周期。科学家规定,1755年开始算太阳的第1个活动周,这样我们当今就处在第24个太阳活动周的末期。后来,科学家又发现,与太阳黑子的出现和多发相伴随的还有太阳表面一些地方突然的增亮,即太阳耀斑,也就是卡林顿看见的黑子旁边白色的亮光。另外,在日全食的时候,人们可以看见被月球遮住的太阳“戴着一顶皮毛帽子”,那实际是太阳的外层大气,叫作日冕。进入太空时代后,人类在卫星上用挡板制造了人工日全食,结果惊奇地发现日冕有时会像火山喷发一样向太空抛射大量的物质,即日冕物质抛射。
 
渐渐地,人类认识到,太阳黑子的周期同时也是太阳活动的周期。在太阳活跃的时候,太阳会通过耀斑、日冕物质抛射等多种爆发活动让太阳风中出现能量和物质的狂飙,媒体界形象地称之为“太阳风暴”。
 
地球浸泡在太阳风中,因此太阳上出现爆发活动,地球就有可能遭受到太阳风暴的袭击,袭击一共会持续三轮。
 
而地球赖以抵御太阳风暴的装备只有两个:磁场和大气。地球磁场能够使得速度不是特别高的带电粒子减速乃至止步于地球大气之外;而大气则像防弹衣一样硬生生地承受磁场不能阻挡的攻击,攻击能否达到地面,则取决于攻击自身的能量。
 
太阳对地球的第一轮袭击,是太阳耀斑发射出的电磁辐射,它们以每秒30万公里的速度,只需要8分钟多一点儿就跑完日地之间1.5亿公里的距离。地球磁场对太阳耀斑导致的激增的X射线、紫外射线、射电波毫无办法,这些辐射直接进入地球大气,所幸地球大气能吸收大部分能量。
 
太阳的第二轮攻击是随后而至的高能带电粒子流,这些粒子的速度接近光速,会在太阳爆发以后大约几十分钟到十几小时内到达地球附近的空间。这些高能粒子会直接轰击太空中的设备和航天人员,而通常的防护手段都难以抵挡,有“太空杀手”之称。在受到地球大气的尽力阻挡之后,还是可能有一部分粒子直接轰击到地球表面。
 
第三轮攻击则是日冕上抛射出来的物质,以每秒钟几百到两千公里以上的超音速扑向地球,它们到达地球大约需要花费2~4天的时间。它们首先和地球的磁场发生相互作用,使得地球磁场发生剧烈的扰动。而没有被地磁场挡住的物质,则通过各种迂回的渠道,最终顺着地磁场向地球两极注入。这些粒子轰击地球极区大气,就如同老式电视机中阴极射线轰击荧光屏一样,将极区高空大气轰击至发光,从而产生绚丽的极光现象。
 
不过,并不是每一次太阳风暴的发生都会影响地球。太阳风暴通常发生在太阳的不同部位,有的直指地球,但更多是指向地球以外的别的区域。而且即便是指向地球的太阳风暴,它在向地球行进的过程中,通过与复杂行星际空间结构的相互作用,也会发生偏转,造成太阳风暴运动方向改变。这种不确定性,也是目前空间天气事件难以预报的原因之一。
 
简单地讲,空间天气就是太阳的三轮攻击和地球的顽强抵抗。实际上,除了航天员、正在穿越极区的飞机空乘人员外,人类一般无法直接感受到太阳风暴的影响。因此,虽然太阳风暴的存在和太阳的存在一样久远,但在电气化之前,人类除了能看见黑子、耀斑和极光外,无法感知空间天气的存在。
 
但是,当人类技术发展之后,那些从太空攻入地球的能量和物质,以及地球磁场和大气在抵抗中出现的各种变化,则会通过现代科技系统最终影响到人类赖以生存的基础设施。
 
空间天气对人类的影响
 
有学者认为,空间天气造成的灾害,可以比喻为人类的“富贵病”,也就是“越先进的越脆弱”。换言之,人类越先进的技术系统,就越会受到太阳风暴的影响。而随着现代社会的科学技术进步和经济社会发展,人们的生活水平不断提高,空间天气对人类活动的影响自然也就越来越大了。也就是说,同一次太阳风暴,可能造成某些发达国家和地区的巨大经济损失,但对一些欠发达国家和地区来说,可能丝毫感受不到。
 
历史上首次被记载在案的空间天气损害技术系统事件,发生在1847年3月19日。那一天,英格兰电报局的发报员突然发现电报针自发地偏转了方向。同年9月,当人们又一次发现电报针自发偏转时,同时也观测到了极光。1859年8月28日到9月2日,北半球连续出现了极光现象,而此时,加拿大各个电报站间的通信完全中断。在第二次世界大战期间,英军一支部队在深入敌后时突然与总部失去了联系,无线电操作员以为是他们携带的高频无线电通信设备遭到了敌人的破坏,整支部队处于极度紧张状态,差一点做出盲目突围的行动。而事后才发现,这次通信中断是由恶劣的空间天气造成的。
 
实际上,当人类走到21世纪的今天,经验和理论都已证实,空间天气在航天、航空、通信、导航、电力等各个领域都会产生影响。太阳喷发出的大量带电粒子会直接威胁环绕地球运行的航天器和航天员。这些粒子可以导致航天器表面的元器件损坏,使太阳能电池板和光学元件老化,造成严重的航天事故。
 
统计表明,国内外人造卫星故障中有大约40%都与空间天气条件有关。
 
太阳风暴爆发期间,航天员可能会遭遇到严重乃至有生命危险的辐射剂量。而在高纬度地区飞行的人员,则可能遭受更高剂量的辐射威胁。1989年9月太阳风暴期间,美国亚特兰蒂斯航天飞机上的宇航员看到高能粒子轰击视网膜引起的闪光,眼睛受到严重刺激,不得不退回到飞船舱内;同时,在巴黎与华盛顿之间飞行的协和式超音速飞机上的辐射监测器第一次超过了预警水平,飞机上的人员受到的辐射剂量比平时增加了6倍,相当于进行一次胸部X光检查所受到的辐射剂量,超过了警戒线。
 
太阳风暴导致的地球磁场剧烈变化,被称为地磁暴。地磁暴发生时,快速变化的地球磁场会在输电线路上产生感生电压和感生电流,感生电压和感生电流在数百、上千公里的输电线上不断积累,可以累加到带来灾难的程度。1989年3月13日加拿大魁北克地区的停电事件,就是地磁暴引起输电线路上出现额外的电流,导致一个巨大的中枢变压器烧毁。由于现代社会高度依赖电力,电力的中断会导致现代社会出现多米诺骨牌似的连锁效应,严重扰乱经济社会的正常运行。
 
位于地面之上60公里到上千公里的高度范围的地球大气被称为电离层,它对无线电波有极大的影响。当太阳爆发时,电离层会受到剧烈扰动,我们常用的短波信号和广播电台的高频信号、GPS等全球卫星定位系统、卫星通信等都会受到干扰乃至无法工作。比如1994年,因太阳风暴引起的电离层扰动使美国卫星信号变坏,导致美国众多股票交易所的数据发生混乱。
 
人类发射的近地航天器全部运行在地球的高层大气之中。太阳风暴期间地球高层大气会被输入的能量加热,大气密度成倍成十倍地增加,这会让在轨航天器所受大气阻力成比例地增加,导致航天器轨道下降甚至提前陨落。
 
实际上,一次大的空间天气事件,常常会对人类产生“组合式”危害。2003年10月底至11月初,一系列大的太阳活动引发了本太阳活动周内最强烈的空间天气事件,恶劣的空间天气给卫星、通信、导航、地面电力系统,带来了一系列破坏,造成了严重的经济损失。在这次空间天气事件中,大量卫星发生故障、丢失数据,25颗卫星需要地面操作干预,才能维持运行,日本EOS卫星丢失,英美多个航班被迫改变航线,全球短波通信中断,超视距雷达和民航通信出现故障,GPS导航系统发生故障,瑞典电网则中断1小时,我国北方短波通信也受到了严重干扰。
 
对于空间天气,我们能做什么?
 
面对空间天气灾害,“越先进越脆弱”的悖论并不意味着为了避免这种打击,人类就应该回到电气化时代之前。事实上,在对太阳三轮攻击以及人类受到影响的过程分析中,我们还可以发现两个事实:第一,即便我们无法准确预报太阳的爆发时间,我们也能准确预警太阳何时爆发以何种方式影响地球;第二,只要我们将一些敏感的技术系统加以保护甚至停止工作,也就是切断空间天气影响技术系统的链路,以此抵御太阳风暴也是可行的。
 
因此,“越先进越脆弱”的悖论的另一面,就是空间天气灾害“难防御可减缓”的特点。而减缓的前提和我们防御和减缓其他气象灾害一样:观测和预报。
 
太阳这么一颗“大火球”结构极为复杂,活动过程也非常繁复,想要对其未来的状态做出预报确实不容易。而在预报之前,至关重要的则是观测。
 
科学家们通过近300年的观测积累发现,太阳整体上呈现出11年活动周期,在一个太阳活动周期内,太阳表面的黑子数出现频率从低到高再变低,如此反复。目前我们正处在第24太阳活动周的末尾阶段,太阳活动再次进入低年,截至2018年7月31日,太阳表面(面向地球的半球面)没有黑子的天数已经超过121天。这就可以从整体上把握太阳活动的趋势,在未来一年间,太阳活动仍将继续走低,出现耀斑、日冕物质抛射等“大动作”的可能性整体上较低。但并不是说,在太阳活动的低年,就不会爆发大的活动了,比如在2017年9月就曾出现了第24太阳活动周最强耀斑爆发,如同在静水中毫无征兆的波澜突起一般。
 
此外,在短时间的预报上,人类也有办法。太阳的自转周期约27天,这就给我们带来一个便利条件。
 
这就意味着,太阳上一个活动区域转入太阳背面开始的13天半后,我们就又能在太阳的另一侧边缘区域见到它。根据其大小、磁场结构、变化趋势等做出进一步的判断,就可以判断它何时可能再次影响地球,这样就可以提前约27天发出空间天气预报。
 
从设备和监测手段上来说,如同气象监测一样,空间天气的监测也需要“看到”之后才能做预报。针对太阳,人们尝试了大量设备与方法,希望能看得更清、更准、更透彻。
 
例如,在距离地球约150万公里处,也被称为日地间拉格朗日L1点的位置上,“钉”一颗监测卫星上去,比如SOHO、ACE卫星等。由于这个L1点始终处在太阳和地球之间,在这个位置上的卫星永远像哨兵一样坚守在地球的上游。每当太阳风暴冲击它后,卫星立刻将数据传回地球,可以为我们争取到数十分钟的反应时间。在这数十分钟的时间里,人类可以关闭卫星,可以改变飞机航线,可以采用备份变压器,可以采用其他通信手段,总之,采用各种切断空间天气事件影响技术系统的渠道。等到太空中风平浪静,一切都恢复正常。
 
为了真正有效应对太阳风暴和它引起的空间天气灾害,人类需要建立与气象预报一样的空间天气监测预报体系。
 
在我国空间天气科学研究取得可喜进展的基础上,国务院于2002年批准在中国气象局成立国家空间天气监测预警中心,和预报地球天气的中央气象台一起,共同构建天地一体化的气象预报体系。如今,这个中心已经和美国的空间天气中心一起,成为世界气象组织空间天气协调机构的联合主席单位,共同推进全球空间天气业务体系的建设和发展。
 
然而,要真正做到有效应对可能发生的超级太阳风暴及其引发的灾害,除了技术准备外,目前需要做的事情还很多。
 
首先,我国需要在国家层面上制定一个空间天气或空间气象发展战略。在这方面,美国已经走在前面,2017年再次更新了空间天气国家战略,将空间天气灾害纳入国家防灾减灾体系,由美国各部门多机构联合协作,各领域行业专家共同编写预案,在灾难爆发之前制定对策。
 
其次,还需要一颗在L1点上“为地球站岗”的卫星。在这第一个烽火台上,美欧的SOHO和ACE卫星为人类立下了汗马功劳,而这两颗卫星已经老化,正在退出历史舞台。从本世纪初开始,我国科学家就一直在呼吁发射一颗类似的卫星,得到国际学界的高度认可。目前距离上一次超级太阳风暴已经159年了,而造成加拿大魁北克省大停电的太阳风暴也是近30年前的事情了,按照目前科学家们关于“超级太阳风暴百年一遇”的说法来粗略计算,未雨绸缪的重要性,不言而喻。
 
同样重要的是,社会各界需要对太阳风暴、空间天气灾害有足够的认知。如前所述,空间天气灾害是“难防御可减缓”的,以当前人类的预警水平,只要我们知道如何应对,就可以有效减缓空间天气灾害造成的损失。反之,如果我们不知道相关知识,在灾害来临之时就会手足无措。评估表明,对空间天气灾害的认知不足,将是未来灾害造成损失的重要原因。因此,空间天气知识普及和空间天气监测预警技术、空间天气灾害减缓措施同等重要。
 
如果我们应对得当,未来当超级太阳风暴来袭时,我们将有机会在炎热的热带地区附近,一边在房间里正常享受空调带来的缕缕清风,一边欣赏天空中通常只有极区才会发生的绚烂极光。
 
 
 

 

 
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