磁暴帶著太陽“怒氣”騷擾人類

劉勇

最近，一條有關(guān)磁暴的新聞進(jìn)入公眾視野。俄羅斯緊急情況部預(yù)測2018年地球至少將遭遇20至35次磁暴，提醒人們做好應(yīng)對準(zhǔn)備。不過，大多數(shù)人并不知道什么是磁暴，更別提應(yīng)對了。

要知道，地球的磁場是地球空間的“保護(hù)罩”，保護(hù)著地球上的各種生命。這個“保護(hù)罩”有一定彈性，當(dāng)來自太陽的高速粒子流吹到地球空間時，它會發(fā)生形狀變化，引起地球附近磁場的擾動，這就是我們通常說的磁暴。

磁暴有哪些破壞力？它如何影響我們的生活？

要搞清楚這兩個問題，我們先得談一談衛(wèi)星。今天的社會，衛(wèi)星的應(yīng)用深入到生活的每個環(huán)節(jié)。電視信號通過衛(wèi)星傳遞，風(fēng)云衛(wèi)星提供氣象信息，GPS和北斗衛(wèi)星為我們定位，連購物使用信用卡的信息也能通過衛(wèi)星傳遞。而和磁暴相伴相隨的高能粒子，卻是衛(wèi)星設(shè)備的“敵人”。

高能粒子以接近光速運動，它有兩種“手段”破壞衛(wèi)星：一種情況下，高能粒子使衛(wèi)星內(nèi)部產(chǎn)生充電，當(dāng)充電超過一定的電壓，衛(wèi)星設(shè)備會被擊穿而損壞;另一種情況下，這些高能粒子闖入芯片內(nèi)部，改變存儲單元的狀態(tài)，產(chǎn)生錯誤代碼和指令，影響儀器正常工作，嚴(yán)重時導(dǎo)致儀器損壞。

1998年5月的美國就被這些高能粒子“秒殺”了上億美元。當(dāng)時，強磁暴導(dǎo)致通信衛(wèi)星銀河四號和地面失去聯(lián)系，使得股票交易幾乎完全中斷，股民恐慌情緒瞬間蔓延，直接經(jīng)濟損失數(shù)以億計。

而磁暴給人們生活帶來的影響大概讓加拿大魁北克人記憶猶新。1989年3月13日，魁北克省大面積停電，900多萬人在春寒料峭的夜晚凍得瑟瑟發(fā)抖。更讓人不堪忍受的是，這次停電長達(dá)幾個月。其罪魁禍?zhǔn)?，就是磁暴引起的感?yīng)電場。感應(yīng)電場在輸電線的兩端加上了一個額外的電壓，多臺變壓器因過載而燒毀，制造、安裝新變壓器花費了幾個月。

現(xiàn)在，磁暴以更普遍的方式侵襲我們的生活，比如通信和導(dǎo)航。大磁暴通常會引起地球上空電離層的擾動。電離層是地球大氣50公里以上到1000公里的區(qū)域，這是衛(wèi)星通信和導(dǎo)航信號的必經(jīng)之路。發(fā)生磁暴時，電離層被擾動，成了一塊變幻不定的“毛玻璃”，通信信號的衰減因此變得時大時小，影響衛(wèi)星通信效果;導(dǎo)航信號通過電離層的時間也因此延長，如果不能準(zhǔn)確消除額外增加的時間，定位就會失準(zhǔn)。

讓人們難以應(yīng)對的是，磁暴的預(yù)測并不容易。

磁暴的根本原因是來自太陽的擾動，直接原因卻是圍繞地球的環(huán)電流增強。環(huán)電流由地球上數(shù)萬公里高空的高能粒子運動形成，強磁暴發(fā)生時，構(gòu)成環(huán)電流的主要成分是來自下方電離層的氧離子。這些離子如何從幾百公里的電離層爬到數(shù)萬公里的高空始終是個謎。

由北京大學(xué)和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心聯(lián)合提出的磁層—電離層—熱層耦合小衛(wèi)星星座計劃，正在探索導(dǎo)致這些離子上行的物理過程。興許在不遠(yuǎn)的將來，科學(xué)家能更深刻地認(rèn)知磁暴，更準(zhǔn)確地預(yù)報磁暴的發(fā)生，更大限度地減少磁暴帶來的危害。