太陽(yáng)風(fēng)暴:科學(xué)版的《2012》

王家敏

雖然隨著災(zāi)難電影而橫掃全球的“末世情緒”不大可能在科學(xué)界得到印證,但科學(xué)家們對(duì)下一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)峰年的到來(lái)卻充滿警惕。

強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴并非地震與海嘯等自然災(zāi)害的主要誘因,但它對(duì)航天、通訊、電力等人類(lèi)的高科技活動(dòng)卻會(huì)造成嚴(yán)重影響

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和美國(guó)宇航局(NASA)今年初鄭重預(yù)警了2012～2014年太陽(yáng)風(fēng)暴將帶來(lái)的影響。科學(xué)家們擔(dān)憂,太陽(yáng)的這一次猛然“蘇醒”,或?qū)⒔o人類(lèi)帶來(lái)難以估量的麻煩。

“末世電影”又可以借此展開(kāi)聯(lián)想了:地磁偏移、火山爆發(fā)、強(qiáng)烈地震,甚至是人類(lèi)滅亡。而不同的是,科學(xué)家們普遍認(rèn)為,強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴并非地震與海嘯等自然災(zāi)害的主要誘因。

“實(shí)際上,太陽(yáng)風(fēng)暴的影響更多集中在人類(lèi)的高科技活動(dòng)上,諸如在航天、通訊、電力等領(lǐng)域?！眹?guó)際宇航科學(xué)院院士、北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授肖佐說(shuō),“人類(lèi)還沒(méi)有因太陽(yáng)風(fēng)暴而遭受過(guò)毀滅性的打擊,但誰(shuí)也不知道繼續(xù)下去,將來(lái)會(huì)發(fā)生什么?！?/p>

從“卡林頓”到“曼哈頓”?

科學(xué)家們開(kāi)始不厭其煩地回顧1859年9月1日的“卡林頓太陽(yáng)風(fēng)暴事件”,這是現(xiàn)有記錄數(shù)據(jù)中最為強(qiáng)烈的一次,但他們并不能確定,強(qiáng)度超過(guò)“卡林頓”的太陽(yáng)風(fēng)暴將在何時(shí)出現(xiàn)。肖佐說(shuō),“無(wú)論如何,太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類(lèi)影響將越來(lái)越大,因?yàn)槿祟?lèi)的科技活動(dòng)越來(lái)越多?！?/p>

在“卡林頓事件”中,英國(guó)格林尼治天文臺(tái)和基烏天文臺(tái)都測(cè)量到了地磁場(chǎng)強(qiáng)度的劇烈變動(dòng);隨后,全球電報(bào)系統(tǒng)崩潰,各地電報(bào)局的操作員報(bào)告說(shuō)“電報(bào)機(jī)器在閃火花,甚至電線也熔化了”。

科學(xué)家們調(diào)查發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)在黑子活動(dòng)的高峰期多產(chǎn)生大耀斑爆發(fā),產(chǎn)生的X射線、紫外等電磁輻射流量突然增加千萬(wàn)倍,太陽(yáng)高能帶電粒子的流量也將成千萬(wàn)倍地增加,百萬(wàn)度高溫的日冕等離子體物質(zhì)會(huì)以每秒上千公里的速度拋出,這就是人們常說(shuō)的太陽(yáng)風(fēng)暴。這是太陽(yáng)因能量的增加而使得自身活動(dòng)加強(qiáng),從而向廣袤的空間釋放大量帶電粒子所形成的高速等離子流。太陽(yáng)風(fēng)暴平均每隔11年就會(huì)進(jìn)入一個(gè)活躍期,距離太陽(yáng)1.5億萬(wàn)公里的地球也將受到影響。

歷史上,這類(lèi)情況對(duì)人類(lèi)活動(dòng)并沒(méi)有太大影響。因?yàn)榈厍虮却蠖鄶?shù)行星的防護(hù)都要好,擁有大氣層以及全球性的磁場(chǎng),可以盡量阻擋太陽(yáng)風(fēng)暴的影響。但是到了20世紀(jì),人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)暴引發(fā)的磁暴會(huì)影響無(wú)線電接收,各種電磁、電力設(shè)備也會(huì)受到影響。

如今,地球已經(jīng)布滿有線和無(wú)線設(shè)備,高技術(shù)系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大,人類(lèi)生活對(duì)這些系統(tǒng)的依賴(lài)程度也越來(lái)越高,同時(shí),這些系統(tǒng)對(duì)于周?chē)h(huán)境的變化也越來(lái)越敏感?，F(xiàn)代生活方式以及所依賴(lài)的科學(xué)技術(shù)在悄然地把人類(lèi)推向特殊的危險(xiǎn)境地:太陽(yáng)風(fēng)暴帶來(lái)的等離子球?qū)⒋輾祟?lèi)的電力系統(tǒng),并造成災(zāi)難性的后果。

由于發(fā)達(dá)國(guó)家密集的電網(wǎng)系統(tǒng)更容易受到太陽(yáng)風(fēng)暴的攻擊,因而這些國(guó)家也顯得更為擔(dān)憂。今年6月,英國(guó)《新科學(xué)家》雜志“預(yù)測(cè)”了最糟糕的結(jié)果,他們根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的一份特殊報(bào)告,對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的來(lái)襲進(jìn)行了驚心動(dòng)魄的描述:

2012年9月22日午夜,美國(guó)紐約曼哈頓上空將布滿一道五彩斑斕的光幕,像紐約這樣的地區(qū),很少有人會(huì)看到如此迷人的類(lèi)極光現(xiàn)象。幾秒鐘之后,該地區(qū)所有的燈泡開(kāi)始變得昏暗并閃爍不定,緊接著燈泡在瞬間變得明亮,之后就完全熄滅了。極光出現(xiàn)90秒以后,美國(guó)東部一半的地區(qū)將陷入停電危機(jī)。

這90秒內(nèi),太陽(yáng)風(fēng)暴誘導(dǎo)產(chǎn)生的地面電流,已經(jīng)毀壞了美國(guó)300個(gè)關(guān)鍵的變壓器,切斷了至少1.3億居民的電力系統(tǒng)。人們出現(xiàn)的第一個(gè)困難就是飲用水問(wèn)題,飲水泵斷電,那些生活在高層建筑的居民,不久便會(huì)中斷飲用水來(lái)源。

電力系統(tǒng)中斷只是開(kāi)始,同時(shí)飛機(jī)運(yùn)輸陷入困境,鐵路運(yùn)輸中斷,地鐵運(yùn)營(yíng)停止,加油站也無(wú)法從地下儲(chǔ)油罐中抽吸燃油。沒(méi)有運(yùn)輸與補(bǔ)給,超市中日常的生活用品也會(huì)消耗得很快。電力中斷,食品、藥物甚至是核燃料都難以得到有效保存。對(duì)于醫(yī)院而言,失去電力和飲用水,衛(wèi)生保健和醫(yī)療搶救則無(wú)法進(jìn)行。

……

2012或2013?

如此悲慘的災(zāi)難聽(tīng)起來(lái)有些荒謬,但支撐這一場(chǎng)景描述的,卻是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院《惡劣空間天氣事件報(bào)告》(SEVERE SPACE WEATHER EVENTS)。這份發(fā)布于今年1月的報(bào)告,用八個(gè)章節(jié)論證了“太陽(yáng)風(fēng)暴危機(jī)”及其應(yīng)對(duì)方案。

負(fù)責(zé)起草報(bào)告的科羅拉多州立大學(xué)太空氣候?qū)＜业つ釥枴へ惪?Daniel Baker)說(shuō),“我們正在離可能出現(xiàn)災(zāi)難的邊緣越來(lái)越近。有時(shí)太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)攜帶著數(shù)十億噸的等離子球,如果大量的等離子球影響地球磁場(chǎng),將釀成毀滅性的災(zāi)難。令人擔(dān)憂的是,我們無(wú)法提前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴的時(shí)間和強(qiáng)度,我們能預(yù)測(cè)的只是,一旦大型太陽(yáng)風(fēng)暴來(lái)襲,人類(lèi)根本無(wú)力應(yīng)對(duì)?！?/p>

6月16日,美國(guó)宇航局提出新的警告稱(chēng),2013年地球可能遭遇強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴。這一時(shí)間晚于“2012年9月”的原因在于,觀測(cè)結(jié)果顯示,太陽(yáng)活動(dòng)周期的過(guò)渡時(shí)間延長(zhǎng)了,在這段延長(zhǎng)的時(shí)間里,太陽(yáng)或許正在積蓄能量。

“人們最迫切關(guān)心的是照明、供水、交通與醫(yī)療系統(tǒng),但實(shí)際上,這些影響已經(jīng)處于整個(gè)事件的最末端?！?中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心主任王勁松告訴《中國(guó)新聞周刊》,“如果我們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生的階段一無(wú)所知,顯然,我們就必須承受災(zāi)難?！?/p>

據(jù)介紹,在太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)第一階段的8.3秒內(nèi),大量耀斑X射線侵入地球大氣電離層,使D層電離度突然增加,引發(fā)短波衰減,甚至中斷。全球中、短波通訊,衛(wèi)星和地面之間的無(wú)線電信息和數(shù)據(jù)傳播都依靠電離層實(shí)現(xiàn),一切地面和空中的雷達(dá)、導(dǎo)航和定位系統(tǒng)也無(wú)可避免的依賴(lài)電磁波。因此,電波傳播的影響將涉及所有現(xiàn)代信息系統(tǒng)。

王勁松說(shuō),“第二階段,首當(dāng)其沖的是衛(wèi)星系統(tǒng)。航天器的電池陣可能被擊穿;大量電子穿透屏蔽層,當(dāng)電場(chǎng)超過(guò)介質(zhì)的擊穿閾值時(shí),則可能造成某些部件的永久性損壞?！?/p>

在1997年1月6日的太陽(yáng)風(fēng)暴事件中,美國(guó)AT&T公司一顆價(jià)值2億美元、設(shè)計(jì)使用壽命為12年的同步軌道通訊衛(wèi)星(Telstar 401)失效,僅服務(wù)3年就“報(bào)銷(xiāo)”了。

2003年10月底開(kāi)始的一系列較大太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)了多國(guó)衛(wèi)星故障或數(shù)據(jù)丟失,共有25顆衛(wèi)星需要地面干預(yù)。

令人擔(dān)憂的情形也在最近出現(xiàn),今年4月,Intelsat公司的“銀河15號(hào)”通訊衛(wèi)星與地面失去聯(lián)系。衛(wèi)星制造商、美國(guó)弗吉尼亞的軌道科學(xué)公司說(shuō),該衛(wèi)星脫離軌道的原因可能是4月初一場(chǎng)強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴。

緊接著的是第三階段,帶電等離子和大量氣態(tài)物質(zhì)以超過(guò)2000km/s的速度襲往地球,它們將在十幾小時(shí)到數(shù)天內(nèi)抵達(dá)地面。等離子進(jìn)入地球大氣層將導(dǎo)致地球磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的快速改變,誘導(dǎo)較長(zhǎng)電線的交流電網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生直流電?，F(xiàn)代的電力網(wǎng)絡(luò)都是以更高的電壓覆蓋更廣的地區(qū),較高功率的電網(wǎng)將變成一個(gè)非常有效的天線,引導(dǎo)巨大的直流電通向變壓器,其結(jié)果是導(dǎo)致變壓器的銅線快速加熱并被融化,電流將失去控制,并最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰,并由此推動(dòng)多米諾骨牌效應(yīng),影響供水、物流、醫(yī)療、金融、國(guó)防等諸多系統(tǒng)。

科學(xué)家們意識(shí)到,如果“卡林頓事件”再次上演的話,將引發(fā)世界上前所未有的災(zāi)難性事件,破壞力甚至超過(guò)媒體的描述。

但華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授劉連光則認(rèn)為,太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的磁暴對(duì)高緯度地區(qū)(加拿大、北歐等地區(qū))的供電系統(tǒng)影響大,可能產(chǎn)生致使供電系統(tǒng)癱瘓這樣極端惡劣的破壞,但對(duì)處于中低緯度的中國(guó)而言,磁暴的影響可以說(shuō)沒(méi)有那么嚴(yán)重。

為了12小時(shí)的提前準(zhǔn)備

顯然,人類(lèi)的科技再發(fā)達(dá)也無(wú)法改變太陽(yáng)的“發(fā)作”;另一方面,越來(lái)越依賴(lài)現(xiàn)代科技的生存方式也是人類(lèi)文明無(wú)法逆轉(zhuǎn)的方向。面對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的來(lái)襲,人類(lèi)只好想法設(shè)法與其“周旋”。

除了電力系統(tǒng)開(kāi)始準(zhǔn)備預(yù)案外,航天工程師們也希望他們的設(shè)計(jì)能經(jīng)受極端空間天氣事件的影響。中國(guó)東方紅航天衛(wèi)星公司總工程師張永維對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō),“中國(guó)從設(shè)計(jì)第一顆衛(wèi)星開(kāi)始,就考慮了空間環(huán)境的影響,技術(shù)也在不斷進(jìn)步。如果遭遇強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)暴,提前關(guān)閉衛(wèi)星信號(hào),也能在一定程度上減輕損害?！?/p>

“空間天氣預(yù)報(bào)將會(huì)是專(zhuān)業(yè)部門(mén)的重要安全保障,”王勁松說(shuō),“如果我們盡早觀測(cè)并預(yù)警,就將爭(zhēng)取到十幾個(gè)小時(shí)的準(zhǔn)備時(shí)間,提前進(jìn)入緊急狀態(tài)?！?/p>

當(dāng)空間天氣預(yù)警發(fā)布后,地面上就可以選擇關(guān)閉正在執(zhí)行任務(wù)的衛(wèi)星的電子信號(hào),或者提前進(jìn)行衛(wèi)星轉(zhuǎn)軌;整裝待發(fā)的衛(wèi)星可以改期發(fā)射;宇航員可以錯(cuò)開(kāi)太空行走的時(shí)間,以將影響降到最低;能源公司則能及時(shí)關(guān)閉電力系統(tǒng),及時(shí)出臺(tái)針對(duì)大規(guī)模停電的應(yīng)急計(jì)劃。

在過(guò)去十年里,全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的上游監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要依賴(lài)于美國(guó)的ACE、SOHO等衛(wèi)星。它們處于地球與太陽(yáng)引力的平衡點(diǎn)、距地球約150萬(wàn)公里的L1點(diǎn)上,這是一個(gè)極佳的位置,能24小時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)。但在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院2008年的討論會(huì)中,許多與會(huì)者指出,“ACE探測(cè)器正在失效?！?/p>

今年2月11日,美國(guó)航天局發(fā)射了新的觀測(cè)衛(wèi)星。這顆名為“太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”(SOLAR DYNAMICS OBSERVATORY)的衛(wèi)星從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空,進(jìn)入距離地表約3.6萬(wàn)公里的地球同步軌道。

中國(guó)計(jì)劃在2012年之前啟動(dòng)“空間風(fēng)暴、極光和空間天氣”探測(cè)計(jì)劃,這一計(jì)劃根據(jù)中國(guó)“夸父追日”的古老神話而被命名為——“夸父計(jì)劃”。如果按期實(shí)施,它將是世界上唯一的系統(tǒng)性的日地空間探測(cè)計(jì)劃。 ★