地球作為太陽系“家族”的一員，深受太陽活動的影響。我們的太陽是顆躁動不安的恒星。當太陽特別活躍時，太陽爆發(fā)活動噴發(fā)出巨大的物質和能量，它們穿越星際空間，到達地球附近，引起地球空間環(huán)境的劇烈擾動，進而影響人類和其它生物的生存和活動。

 

　　一、太陽風暴爆發(fā)

 

　　在地球附近，來自太陽的電磁輻射和攜帶太陽磁場的太陽風與地球磁場和地球大氣相互作用，形成了由磁層、電離層和高層大氣組成的相對穩(wěn)定又緊密耦合的復雜系統(tǒng)，這個系統(tǒng)通常稱為地球空間環(huán)境。當太陽劇烈爆發(fā)時，增強的電磁輻射、高能帶電粒子流和高速等離子體云將對地球形成三輪攻擊，打破地球空間環(huán)境相對穩(wěn)定寧靜的局面。

 

　　第一輪攻擊——增強的電磁輻射

 

　　太陽電磁輻射的能量主要分布在可見光和近紅外光譜區(qū)。當太陽耀斑爆發(fā)時，射電、紫外和X射線波段的電磁輻射的增強幅度可達幾個數(shù)量級。這些增強的輻射以光速（大約8分鐘）抵達地球空間，由于磁層無法攔截電磁輻射，它們就直接進入到電離層和高層大氣，使電離層中的電子濃度急劇增大，引發(fā)電離層突然騷擾，可導致短波無線電信號衰落，甚至中斷。

 

　　第二輪攻擊——高能帶電粒子流

 

　　高能帶電粒子流速度比炮彈快萬倍以上，（大約30分鐘）到達地球空間后轟擊磁層，并能突破地球磁場的重重防線，進入衛(wèi)星軌道，對衛(wèi)星和其它空間飛行器來說可能就是一場災難；對于在空間執(zhí)行任務的航天員來說，若遭遇到這樣的高能粒子流，他們的生命安全可能會受到威脅；對于穿越極區(qū)的航空乘客來說，若穿越時恰逢高能粒子流的沉降，他們的輻照劑量會增大，健康將受影響。由于極區(qū)地磁場的磁力線是開放的，高能粒子流能夠沿著磁力線沉降到極蓋區(qū)上層大氣中，引發(fā)極蓋吸收事件，影響極區(qū)無線電通信。

 

　　第三輪攻擊——等離子體云

 

　　等離子體云以日冕物質拋射的形式從太陽上噴發(fā)出來，將巨大的能量傾泄到磁尾的大尺度空間中，引發(fā)磁層劇烈動蕩。磁尾高密度的等離子體在電磁場的驅動下，加速沖向地球（大約18小時-數(shù)天），增強赤道環(huán)電流，引起全球范圍劇烈的地磁擾動——地磁暴，等離子體也可能在從磁尾注入到地球過程中被加速，同時有輻射帶的高能電子推波助瀾，形成全球范圍的高能電子增強現(xiàn)象——高能電子暴。等離子體還可以注入到極區(qū)和電離層中，引發(fā)電離層暴，同時轟擊高層大氣，形成絢爛多彩的極光。

 

　　二、歷史上的強太陽風暴

 

　　太陽風暴的歷史由來已久。19世紀50年代以前，它留給人類主要是一幅幅多姿多彩的極光圖像和一段段美麗動人的極光神話。在此之后，太陽風暴帶給人類社會更多的是一道道傷痕，而且隨著社會發(fā)展，其傷害所涉及的范圍也越來越廣，上可到太空中遨游的衛(wèi)星，下可達海底中深埋的電纜。我們通過三次強太陽風暴事件來了解一下太陽風暴的威力。

 

　　No.1超強太陽風暴-1859年卡林頓事件

 

　　太陽風暴的等級可以從X射線耀斑、質子事件以及地磁暴的強度進行劃分。在卡林頓事件發(fā)生期間，觀測技術還不夠成熟，空間環(huán)境擾動監(jiān)測數(shù)據(jù)也不夠全面。但事后人們從高能粒子數(shù)量、極光范圍、地磁擾動和造成的危害這幾個方面還是可以推斷出卡林頓事件是歷史最強太陽風暴。

 

　　事件強度

 

　　高能粒子數(shù)量：大于30兆電子伏的質子通量達到1.9×1010個/cm2，是排名第四的1972年高能粒子事件的4倍。創(chuàng)下了迄今為止高能粒子事件最強紀錄。

 

　　極光范圍：1859年8月28日-9月4日磁暴期間，在北美、南美、歐洲、亞洲等多地看到極光。在古巴，人們居然能夠在極光下讀晨報，這些紀錄一直保持到現(xiàn)在。

 

　　地磁擾動：在太陽耀斑爆發(fā)的17.5小時后，Dst指數(shù)最大下降到-1760納特。這次事件的地磁暴強度是1989年3月地磁暴的4倍。

 

　　造成的危害

 

　　卡林頓事件對電報業(yè)造成嚴重損害。意大利的托斯卡納等廣大地區(qū)的電報站機器都出現(xiàn)了閃火花現(xiàn)象，甚至電線也被熔化了。并且隨著時間推移，波士頓至波特蘭的電報線在沒有電池的情況下，依靠地磁暴產(chǎn)生的電流持續(xù)工作長達兩小時之久。

 

　　No.21989年3月太陽風暴-魁北克省大斷電事件

 

　　1989年3月，日面上出現(xiàn)了一個超級活動區(qū)，該活動區(qū)掀起了一場劇烈的太陽風暴，使地球上發(fā)生了一次史上有名的強磁暴，同時也給人類社會帶來了一系列災難。此次太陽風暴的危害主要表現(xiàn)為對加拿大魁北克省電力系統(tǒng)的嚴重破壞，因此，我們將這次太陽風暴稱為“魁北克省大斷電事件”。

 

　　事件強度

 

　　高能粒子通量：受太陽耀斑及拋射的等離子體云影響，發(fā)生2次強太陽質子事件。第一次大太陽質子事件持續(xù)5天，峰值通量為1500pfu，第二次大太陽質子事件持續(xù)2天，峰值通量為1250pfu。

 

　　地磁暴：這次地磁暴連續(xù)10個3小時Kp指數(shù)大于7，有2個3小時ap指數(shù)達到最大值400。根據(jù)1932年以來每天的Ap指數(shù)來排序，3月13日的Ap值排名高居第二，為246。這次地磁暴Dst指數(shù)值為-589納特斯拉，其強度遠大于排名第二的-429納特斯拉。

 

　　電離層擾動：共產(chǎn)生100多次電離層突然騷擾。

 

　　大氣層擾動：480千米高度處的大氣密度增加了4倍。

 

　　極光：較低緯度地區(qū)如北半球的美國佛羅里達州、古巴等地都看到了極光。

 

　　造成的危害

 

　　電力系統(tǒng)：加拿大魁北克省電力系統(tǒng)遭到嚴重破壞。地球強磁暴導致加拿大魁北克省電網(wǎng)主要線路上的一個變壓器因感應電流過大而燒毀，整個電網(wǎng)在不到90秒鐘就全部癱瘓，致使該電網(wǎng)所管轄的區(qū)域陷入黑暗和寒冷。

 

　　衛(wèi)星：在太陽爆發(fā)活動期間，地球高軌道高能粒子通量和低軌道大氣密度的增加以及地球磁場劇烈變化導致許多衛(wèi)星也遭受了不同程度的影響。如美國GOES-7衛(wèi)星損失了一半太陽能電池，致使其壽命縮短了一半；3月17日，日本通訊衛(wèi)星CS-3B異常，搭載在衛(wèi)星上的備用命令電路損壞等等。

 

　　No.32003年萬圣節(jié)太陽風暴

 

　　2003年10月底至11月初期間，太陽上發(fā)生了一系列強烈的爆發(fā)活動，造成了日地空間環(huán)境巨大擾動。受此影響，美國加州中部上空出現(xiàn)了罕見的極光；約半數(shù)衛(wèi)星出現(xiàn)故障，日本先進地球觀測衛(wèi)星-2（ADEOS-2）完全失效；全球范圍內的通訊受到干擾，海事緊急呼叫系統(tǒng)癱瘓，珠峰探險隊通訊中斷；全球定位系統(tǒng)精度降低；瑞典5萬人的電力供應中斷……如此強烈的太陽風暴在歷史上非常罕見，因正值西方萬圣節(jié)前后而被命名為“萬圣節(jié)太陽風暴”。

 

　　事件強度

 

　　太陽耀斑：日面上共爆發(fā)了57個M級以上的X射線耀斑，包括11個X級的大耀斑；同時伴隨有至少15個暈狀日冕物質拋射及大量的小日冕物質拋射。其中X28級巨耀斑是自1976年以來觀測到的最大耀斑。

 

　　高能粒子通量：太陽質子事件的峰值流量達到29500pfu，是GOES衛(wèi)星1976年觀測以來第4大值。

 

　　地磁暴：Ap指數(shù)達到204，是自1932年有記錄以來的第9大極值。

 

　　造成的危害

 

　　通信衛(wèi)星：致使46顆通信衛(wèi)星報告了異常。

 

　　國際空間站：經(jīng)歷了反常摩擦阻力。

 

　　深空任務：安裝在“奧德賽號”飛船上的火星環(huán)境輻射探測儀（（MARIE），其目的原本是用于探測星輻射環(huán)境以確定宇航員在火星上所遭受到的輻射危險，在28日卻由于粒子輻射發(fā)出溫度紅色警報而自動關閉，至今沒有恢復。

 

　　地球軌道衛(wèi)星：大約59%的空間科學任務受到了影響，其中24%的任務關閉的儀器采用可保護行為。

 

　　通信：全球短波通訊中斷，超視距雷達、民航通訊出現(xiàn)故障；伊拉克戰(zhàn)場美英聯(lián)軍通訊受到影響；珠穆朗瑪峰探險隊和一些電視廣播通訊公司遭到了嚴重的高頻射電短期干擾；我國北方短波通訊受到嚴重干擾，北京、滿洲里無線電觀測點短波信號一度中斷。

 

　　導航：羅蘭C導航定位系統(tǒng)報告了數(shù)次的干擾問題，GPS用戶也報道了應用衰弱和中斷。

 

　　航空：極區(qū)航線受到很大影響。

 

　　電力：瑞典馬爾默市南部的一個電力系統(tǒng)遭到破壞，有5萬居民用電供應中斷。

 

　　三、如何應對太陽風暴？

 

　　了解了歷史上強太陽風暴帶給人類社會的危害，我們應該清楚強太陽風暴可能給國家安全穩(wěn)定與經(jīng)濟社會發(fā)展帶來的危害，是當前必須高度重視的一種自然災害現(xiàn)象。我們不能對強烈的太陽風暴及其影響掉以輕心。針對我國國家關鍵基礎設施防護措施有限，空間資產(chǎn)大量增加的情況，如何應對極端空間天氣的影響，既是各級政府的職責，也是空間科學領域和各社會團體的基本義務，必須做到未雨綢繆。

 

　　一是加強空間天氣事件知識普及，提高對其潛在危害性的認識。

 

　　我國對空間天氣事件觀測、預報、產(chǎn)品制作與服務起步較晚，目前仍局限在部分業(yè)務領域，主要集中在對空間資產(chǎn)的影響及防護。我國關鍵基礎設施規(guī)模大、防護措施不到位，大部分國家關鍵基礎設施管理與運行系統(tǒng)對空間天氣事件影響缺乏基本認識。因此，首先應大力推進空間天氣事件及影響知識的普及，提高對極端空間天氣事件影響危害的認識。需要加大有關太陽、日地空間、空間天氣事件、事件影響等知識的科普宣傳。同時，根據(jù)現(xiàn)代信息傳播手段的特點，制作形式多樣且容易被不同受眾接受的信息產(chǎn)品。

 

　　二是大力構建空間環(huán)境研究與觀測網(wǎng)，提高空間天氣預報產(chǎn)品服務水平。

 

　　空間天氣變化與太陽活動直接相關，既有一定的變化特征和規(guī)律，又有很大隨機性與突發(fā)性。因此，空間天氣事件預報和預警必須建立在持續(xù)太陽觀測，以及長期歷史積累資料分析研究基礎上。首先，要建立以地面觀測系統(tǒng)為主，地面與空間觀測相結合的太陽觀測網(wǎng)，進一步做好觀測數(shù)據(jù)積累、處理與應用工作。其次，要加強基礎研究，針對太陽活動變化的規(guī)律及對地球空間環(huán)境影響的特征，研究制定相應的標準體系。第三，不斷提高空間天氣預報產(chǎn)品制作與服務水平，理順空間天氣預報產(chǎn)品的服務渠道，增強對極端空間天氣事件的預報預警能力。

 

　　三是積極參加國際空間環(huán)境領域合作，不斷提升應對空間天氣事件能力。

 

　　空間天氣事件影響作為一種全球安全威脅，受到越來越多國家政府的重視，正在成為各國政府聯(lián)合應對的全球挑戰(zhàn)。長期以來，由國際機構聯(lián)合開展的太陽觀測、研究等活動，在空間環(huán)境研究、空間天氣事件預測等方面發(fā)揮了積極作用。我國作為一個世界性大國，在空間研究開發(fā)利用等方面有能力和義務走在前列。我們應積極參加空間天氣與空間環(huán)境觀測研究領域國際合作，同時，也有責任牽頭和倡導國際合