太阳风暴:科学版的《2012》

王家敏

虽然随着灾难电影而横扫全球的“末世情绪”不大可能在科学界得到印证,但科学家们对下一个太阳活动峰年的到来却充满警惕。

强烈的太阳风暴并非地震与海啸等自然灾害的主要诱因,但它对航天、通讯、电力等人类的高科技活动却会造成严重影响

美国国家科学院和美国宇航局(NASA)今年初郑重预警了2012～2014年太阳风暴将带来的影响。科学家们担忧,太阳的这一次猛然“苏醒”,或将给人类带来难以估量的麻烦。

“末世电影”又可以借此展开联想了:地磁偏移、火山爆发、强烈地震,甚至是人类灭亡。而不同的是,科学家们普遍认为,强烈的太阳风暴并非地震与海啸等自然灾害的主要诱因。

“实际上,太阳风暴的影响更多集中在人类的高科技活动上,诸如在航天、通讯、电力等领域。”国际宇航科学院院士、北京大学地球与空间科学学院教授肖佐说,“人类还没有因太阳风暴而遭受过毁灭性的打击,但谁也不知道继续下去,将来会发生什么。”

从“卡林顿”到“曼哈顿”?

科学家们开始不厌其烦地回顾1859年9月1日的“卡林顿太阳风暴事件”,这是现有记录数据中最为强烈的一次,但他们并不能确定,强度超过“卡林顿”的太阳风暴将在何时出现。肖佐说,“无论如何,太阳风暴对人类影响将越来越大,因为人类的科技活动越来越多。”

在“卡林顿事件”中,英国格林尼治天文台和基乌天文台都测量到了地磁场强度的剧烈变动;随后,全球电报系统崩溃,各地电报局的操作员报告说“电报机器在闪火花,甚至电线也熔化了”。

科学家们调查发现,太阳在黑子活动的高峰期多产生大耀斑爆发,产生的X射线、紫外等电磁辐射流量突然增加千万倍,太阳高能带电粒子的流量也将成千万倍地增加,百万度高温的日冕等离子体物质会以每秒上千公里的速度抛出,这就是人们常说的太阳风暴。这是太阳因能量的增加而使得自身活动加强,从而向广袤的空间释放大量带电粒子所形成的高速等离子流。太阳风暴平均每隔11年就会进入一个活跃期,距离太阳1.5亿万公里的地球也将受到影响。

历史上,这类情况对人类活动并没有太大影响。因为地球比大多数行星的防护都要好,拥有大气层以及全球性的磁场,可以尽量阻挡太阳风暴的影响。但是到了20世纪,人们发现太阳风暴引发的磁暴会影响无线电接收,各种电磁、电力设备也会受到影响。

如今,地球已经布满有线和无线设备,高技术系统规模越来越大,人类生活对这些系统的依赖程度也越来越高,同时,这些系统对于周围环境的变化也越来越敏感。现代生活方式以及所依赖的科学技术在悄然地把人类推向特殊的危险境地:太阳风暴带来的等离子球将摧毁人类的电力系统,并造成灾难性的后果。

由于发达国家密集的电网系统更容易受到太阳风暴的攻击,因而这些国家也显得更为担忧。今年6月,英国《新科学家》杂志“预测”了最糟糕的结果,他们根据美国国家科学院的一份特殊报告,对太阳风暴的来袭进行了惊心动魄的描述:

2012年9月22日午夜,美国纽约曼哈顿上空将布满一道五彩斑斓的光幕,像纽约这样的地区,很少有人会看到如此迷人的类极光现象。几秒钟之后,该地区所有的灯泡开始变得昏暗并闪烁不定,紧接着灯泡在瞬间变得明亮,之后就完全熄灭了。极光出现90秒以后,美国东部一半的地区将陷入停电危机。

这90秒内,太阳风暴诱导产生的地面电流,已经毁坏了美国300个关键的变压器,切断了至少1.3亿居民的电力系统。人们出现的第一个困难就是饮用水问题,饮水泵断电,那些生活在高层建筑的居民,不久便会中断饮用水来源。

电力系统中断只是开始,同时飞机运输陷入困境,铁路运输中断,地铁运营停止,加油站也无法从地下储油罐中抽吸燃油。没有运输与补给,超市中日常的生活用品也会消耗得很快。电力中断,食品、药物甚至是核燃料都难以得到有效保存。对于医院而言,失去电力和饮用水,卫生保健和医疗抢救则无法进行。

……

2012或2013?

如此悲惨的灾难听起来有些荒谬,但支撑这一场景描述的,却是美国国家科学院《恶劣空间天气事件报告》(SEVERE SPACE WEATHER EVENTS)。这份发布于今年1月的报告,用八个章节论证了“太阳风暴危机”及其应对方案。

负责起草报告的科罗拉多州立大学太空气候专家丹尼尔·贝克(Daniel Baker)说,“我们正在离可能出现灾难的边缘越来越近。有时太阳风暴会携带着数十亿吨的等离子球,如果大量的等离子球影响地球磁场,将酿成毁灭性的灾难。令人担忧的是,我们无法提前准确预测太阳风暴的时间和强度,我们能预测的只是,一旦大型太阳风暴来袭,人类根本无力应对。”

6月16日,美国宇航局提出新的警告称,2013年地球可能遭遇强烈的太阳风暴。这一时间晚于“2012年9月”的原因在于,观测结果显示,太阳活动周期的过渡时间延长了,在这段延长的时间里,太阳或许正在积蓄能量。

“人们最迫切关心的是照明、供水、交通与医疗系统,但实际上,这些影响已经处于整个事件的最末端。” 中国气象局国家空间天气监测预警中心主任王劲松告诉《中国新闻周刊》,“如果我们对太阳风暴发生的阶段一无所知,显然,我们就必须承受灾难。”

据介绍,在太阳风暴爆发第一阶段的8.3秒内,大量耀斑X射线侵入地球大气电离层,使D层电离度突然增加,引发短波衰减,甚至中断。全球中、短波通讯,卫星和地面之间的无线电信息和数据传播都依靠电离层实现,一切地面和空中的雷达、导航和定位系统也无可避免的依赖电磁波。因此,电波传播的影响将涉及所有现代信息系统。

王劲松说,“第二阶段,首当其冲的是卫星系统。航天器的电池阵可能被击穿;大量电子穿透屏蔽层,当电场超过介质的击穿阈值时,则可能造成某些部件的永久性损坏。”

在1997年1月6日的太阳风暴事件中,美国AT&T公司一颗价值2亿美元、设计使用寿命为12年的同步轨道通讯卫星(Telstar 401)失效,仅服务3年就“报销”了。

2003年10月底开始的一系列较大太阳活动引发了多国卫星故障或数据丢失,共有25颗卫星需要地面干预。

令人担忧的情形也在最近出现,今年4月,Intelsat公司的“银河15号”通讯卫星与地面失去联系。卫星制造商、美国弗吉尼亚的轨道科学公司说,该卫星脱离轨道的原因可能是4月初一场强烈的太阳风暴。

紧接着的是第三阶段,带电等离子和大量气态物质以超过2000km/s的速度袭往地球,它们将在十几小时到数天内抵达地面。等离子进入地球大气层将导致地球磁场结构的快速改变,诱导较长电线的交流电网内产生直流电。现代的电力网络都是以更高的电压覆盖更广的地区,较高功率的电网将变成一个非常有效的天线,引导巨大的直流电通向变压器,其结果是导致变压器的铜线快速加热并被融化,电流将失去控制,并最终导致电力系统的崩溃,并由此推动多米诺骨牌效应,影响供水、物流、医疗、金融、国防等诸多系统。

科学家们意识到,如果“卡林顿事件”再次上演的话,将引发世界上前所未有的灾难性事件,破坏力甚至超过媒体的描述。

但华北电力大学电气与电子工程学院教授刘连光则认为,太阳风暴产生的磁暴对高纬度地区(加拿大、北欧等地区)的供电系统影响大,可能产生致使供电系统瘫痪这样极端恶劣的破坏,但对处于中低纬度的中国而言,磁暴的影响可以说没有那么严重。

为了12小时的提前准备

显然,人类的科技再发达也无法改变太阳的“发作”;另一方面,越来越依赖现代科技的生存方式也是人类文明无法逆转的方向。面对太阳风暴的来袭,人类只好想法设法与其“周旋”。

除了电力系统开始准备预案外,航天工程师们也希望他们的设计能经受极端空间天气事件的影响。中国东方红航天卫星公司总工程师张永维对《中国新闻周刊》说,“中国从设计第一颗卫星开始,就考虑了空间环境的影响,技术也在不断进步。如果遭遇强烈太阳风暴,提前关闭卫星信号,也能在一定程度上减轻损害。”

“空间天气预报将会是专业部门的重要安全保障,”王劲松说,“如果我们尽早观测并预警,就将争取到十几个小时的准备时间,提前进入紧急状态。”

当空间天气预警发布后,地面上就可以选择关闭正在执行任务的卫星的电子信号,或者提前进行卫星转轨;整装待发的卫星可以改期发射;宇航员可以错开太空行走的时间,以将影响降到最低;能源公司则能及时关闭电力系统,及时出台针对大规模停电的应急计划。

在过去十年里,全球预报系统的上游监测数据主要依赖于美国的ACE、SOHO等卫星。它们处于地球与太阳引力的平衡点、距地球约150万公里的L1点上,这是一个极佳的位置,能24小时监测太阳。但在美国国家科学院2008年的讨论会中,许多与会者指出,“ACE探测器正在失效。”

今年2月11日,美国航天局发射了新的观测卫星。这颗名为“太阳动力学观测台”(SOLAR DYNAMICS OBSERVATORY)的卫星从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,进入距离地表约3.6万公里的地球同步轨道。

中国计划在2012年之前启动“空间风暴、极光和空间天气”探测计划,这一计划根据中国“夸父追日”的古老神话而被命名为——“夸父计划”。如果按期实施,它将是世界上唯一的系统性的日地空间探测计划。 ★