太陽風(fēng)暴“實力派”

◆韓大洋

上期我們認識了太陽“武器庫”中的耀斑、日冕物質(zhì)拋射、高能帶電粒子流、冕洞高速太陽風(fēng)等“武器”，這期我們再來好好領(lǐng)教一番太陽的“招數(shù)”吧！

發(fā)現(xiàn)即命中的“閃光彈”

作為太陽技能中攻擊速度最快的，耀斑讓地球相當(dāng)“頭痛”。它從爆發(fā)開始到“命中”地球僅需8分20 秒，沒有給人類留一絲反應(yīng)的機會。按照光速的近似值30 萬千米每秒計算，光波經(jīng)過太陽到達地球的1.5 億千米所需要的時間，相比我們的觀測系統(tǒng)，無論是地球同步衛(wèi)星、極軌衛(wèi)星，還是遠在日地拉格朗日L1點上的衛(wèi)星，當(dāng)它們獲取耀斑數(shù)據(jù)，通過無線電信號以光速傳回地球，再經(jīng)過數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理傳輸，已經(jīng)距離耀斑命中地球數(shù)分鐘。

此時，首當(dāng)其沖的就是地球大氣層中的電離層。電離層是距離地面約60 千米到1000 千米的大氣區(qū)域，在太陽光的照射下，這里的空氣粒子被部分電離，從而顯現(xiàn)出等離子體的特性。我們知道，耀斑包含自然界所有波長的光，當(dāng)耀斑到達后，其中能量較強的X 射線、紫外線等會加劇大氣的電離，在一瞬間打破整個地球向陽面電離層的穩(wěn)定，使原有電子密度、溫度以及粒子間發(fā)生碰撞的頻率發(fā)生改變。

圖1 太陽動力學(xué)天文臺(SDO) 于2022 年10 月2 日 捕獲的一次X1 級太陽耀斑（圖/美國國家航空航天局）

如果將同學(xué)們比作電離層中的氣體粒子，那么做課間操時的你們就構(gòu)成了平靜時期的電離層，每個人按班級列隊整齊站好，跟隨節(jié)拍和旋律統(tǒng)一行動。耀斑的到來仿佛有人突然拿出幾個籃球，大喊一聲“打球嘍”，此時，數(shù)百名男同學(xué)開始追著籃球的蹦跳方向奔跑，誰都想最先拿到球、占到場地，女同學(xué)則紛紛沿著操場邊緣繞開，逐漸在操場兩邊聚成堆，之前規(guī)整的隊列不見了蹤影。

這就是耀斑影響下地球電離層的變化，要知道，短波通信、導(dǎo)航定位都是以穩(wěn)定的電離層為基礎(chǔ)。此時，原本應(yīng)該被電離層反射回地面的無線電信號直接飛向太空，衛(wèi)星信號在穿過電離層時發(fā)生彎折，進而導(dǎo)致飛行員無法與地面取得聯(lián)系，衛(wèi)星定位導(dǎo)航出現(xiàn)偏差甚至不能使用，測繪儀器的誤差超過正常范圍等。

高能帶電粒子流 讓衛(wèi)星“瑟瑟發(fā)抖”

耀斑的爆發(fā)往往會伴隨大量高能帶電粒子的發(fā)出，它們的速度比耀斑稍慢一些，約為光速的十分之一，但攜帶的能量很高，如霰彈槍發(fā)射的效果一般，大量粒子形成一個攻擊面，對其飛行路徑上的一切物體造成傷害。

比較典型的是帶電粒子攻擊衛(wèi)星，它們有的會貼附在衛(wèi)星表面，使衛(wèi)星表面附上高達幾百甚至上萬伏特的電壓，稍有刺激就會造成尖端放電，一瞬間擊穿衛(wèi)星表面。有的高能粒子甚至能直接穿透衛(wèi)星的防護層，攻擊衛(wèi)星核心載荷甚至電路和芯片，輕則制造錯誤的電信號威脅衛(wèi)星運行安全，重則破壞芯片，造成衛(wèi)星任務(wù)的失敗。

1988 年9 月7 日，我國第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號A 星成功發(fā)射。在它工作不久后，一次太陽爆發(fā)產(chǎn)生的高能帶電粒子轟擊造成單粒子翻轉(zhuǎn)事件，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，僅在工作39 天后不得不結(jié)束任務(wù)。

圖2 1988 年9 月7 日，風(fēng)云一號A 星在山西太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號運載火箭發(fā)射升空（圖/國家衛(wèi)星氣象中心 供）

讓地球“顫抖”的太陽風(fēng)暴

除了單獨出招，太陽還經(jīng)常以“技能串”的形式出擊。耀斑和高能帶電粒子流都只能算是熱身或“開胃湯”，日冕物質(zhì)拋射才是“正餐”。

數(shù)以億噸甚至萬億噸計的日冕物質(zhì)以幾百到兩千千米每秒的速度飛出，速度與質(zhì)量的背后是太陽磁場的巨大能量。一旦這些日冕物質(zhì)“命中”地球，一場從天到地、從磁場到大氣的“風(fēng)暴”在所難免。

首先是地球磁場，在太陽強大的能量作用下，地球常常會發(fā)生磁場磁力線的斷裂與重聯(lián)，伴隨著大量太陽粒子進入南北磁極，絢麗的極光產(chǎn)生了。其次是大氣層，太陽能量的注入使得高層大氣的底部被加熱，大氣層出現(xiàn)大范圍的受熱膨脹，下方的空氣粒子不斷向上擴散，造成軌道大氣密度增大。

圖3 太陽風(fēng)暴對多種人類活動造成顯著影響（圖/國家衛(wèi)星氣象中心 國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心 供）

2022年2月，受太陽風(fēng)暴的影響，剛發(fā)射不久的49 顆星鏈衛(wèi)星遭遇地磁暴，快速增大的軌道大氣密度加大了衛(wèi)星的飛行阻力。在地面運行控制部門的緊急應(yīng)對下，最終仍有38 顆衛(wèi)星墜入大氣燒毀。

在太陽風(fēng)暴的沖擊下，地球環(huán)境發(fā)生了變化，人類活動尤其是高技術(shù)系統(tǒng)也受到巨大影響。比如民航的通信、導(dǎo)航、航空輻射條件變得惡劣，地面臺站與航班失去聯(lián)系，航空輻射不斷升高帶來的風(fēng)險可能導(dǎo)致航班被取消。太陽風(fēng)暴制造的地磁暴還會對輸電、高鐵管網(wǎng)造成重大威脅。

對于太陽爆發(fā)活動，人類又該如何應(yīng)對？更多精彩，敬請關(guān)注下期內(nèi)容。