2010年7月，美國科學(xué)家發(fā)出警告：太陽在2012年到2013年期間將進(jìn)入新一輪活躍期，地球有可能面臨一場“超級太陽風(fēng)暴”襲擊，屆時(shí)地球上許多地方的電網(wǎng)將被太陽風(fēng)暴摧毀，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)將崩潰，電視機(jī)將沒有信號，收音機(jī)只能聽到—連串靜電噪聲……不過，由于太陽風(fēng)暴干擾地球磁場，當(dāng)夜幕降臨時(shí)，地球許多地防的天空中將出現(xiàn)五彩繽紛的極光。

太陽風(fēng)暴是怎么一回事?什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)太陽風(fēng)暴?什么是“超級太陽風(fēng)暴”?面對太陽風(fēng)暴我們應(yīng)該怎么辦……本刊特別邀請?zhí)煳膶W(xué)家介紹有關(guān)太陽風(fēng)暴的方方面面。

1 太陽風(fēng)暴警報(bào)

早在2010年年初，英國媒體就援引一些西方科學(xué)家的預(yù)測結(jié)果發(fā)布消息：當(dāng)太陽從“沉睡”狀態(tài)中“蘇醒”以后，在2013年前后的某些時(shí)間，地球?qū)⒃馐苁窡o前例的太陽風(fēng)暴的轟擊，屆時(shí)國家電網(wǎng)可能癱瘓，航空運(yùn)輸將陷入嚴(yán)重混亂，電子產(chǎn)品、航空器件和大多數(shù)衛(wèi)星可能停止工作。不久后，美國宇航局發(fā)布消息：強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴發(fā)生的時(shí)間就在3年后，也就是2013年。有科學(xué)家警告說，除非采取適當(dāng)?shù)姆纻浯胧?，超級太陽風(fēng)暴將損壞一切應(yīng)急無線電通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、銀行設(shè)備、航空控制設(shè)備，直至日常電器如家用電腦、電感電位分壓器等。如果情況果真如這些科學(xué)家所言，那么，由于現(xiàn)代社會(huì)人們對電子設(shè)備的巨大依賴性以及電子設(shè)備對磁能的敏感性，太陽風(fēng)暴將留下巨額破壞賬單，人類社會(huì)生活將發(fā)生歷史性的大倒退。 上述警告和說法不免有所夸大，但也并非沒有科學(xué)依據(jù)。空間飛行器攜帶的儀器拍攝的極紫外單色像顯示，地球周圍的磁層目前出現(xiàn)了一個(gè)面積相當(dāng)于4個(gè)地球的大洞，而且還在擴(kuò)大。這是巨大的太陽風(fēng)暴爆發(fā)的預(yù)兆。地磁層能阻止高能粒子進(jìn)入地球，是地球的保護(hù)層，一旦地磁層受到太陽風(fēng)暴的擾動(dòng)，太陽爆發(fā)產(chǎn)生的大量高能粒子將乘虛而入，影響通訊，威脅衛(wèi)星，破壞臭氧層，如果不早作防范，后果將不堪設(shè)想。歷史上曾有過不少不算太嚴(yán)重的先例。1958年2月11日發(fā)生的一次全球性大磁暴(請參閱相關(guān)鏈接：磁暴的破壞)使世界各地?zé)o線電通信全部中斷，瑞典的電力線和通信遭到破壞，鐵路信號無法使用，磁暴引起的強(qiáng)大電流使絕緣材料起火燃燒，將安全閥和變壓器燒毀。1975年發(fā)生的一次磁暴使歐洲和北美之間的無線電通信全部中斷，歐洲和遠(yuǎn)東的電報(bào)聯(lián)絡(luò)受到嚴(yán)重干擾。2008年2月26日發(fā)生的一次磁暴釋放出1500萬億焦耳的能量，發(fā)射了兩個(gè)等離子體云，一個(gè)飄離地球，一個(gè)飄向地球，在加拿大和美國阿拉斯加都能看到飄向地球的等離子體云同大氣作用產(chǎn)生的極光。這些磁暴都是太陽風(fēng)暴造成的。

為了應(yīng)對太陽風(fēng)暴的威脅，2010年6月，美國宇航局科學(xué)家、政府決策者和研究^員齊集首都華盛頓，參加太空天氣方面的高峰論壇，討論太陽在2012年到2013年期間從“沉睡”中“蘇睡”進(jìn)入活動(dòng)期引發(fā)的太陽風(fēng)暴對地球的嚴(yán)重影響，以及如何采取措施做好空間天氣監(jiān)測工作，預(yù)防和減少太陽風(fēng)暴帶來的損失。事實(shí)上，美國宇航局早在2001年就形成了—個(gè)名為“生命與恒星”的計(jì)劃，旨在研究和處理^類在太陽大氣中生活的空間天氣問題，特別是如何對太陽風(fēng)暴進(jìn)行預(yù)警。該計(jì)劃規(guī)模宏大，將發(fā)射5組空間探測器組成—個(gè)飛船艦隊(duì)“氣象站”，以最新方式分布在廣闊的太陽大氣里面，觀測太陽大氣的各種狀態(tài)。這5組空間探測器分別是：

——太陽動(dòng)力學(xué)觀測站。用高清晰度照相機(jī)拍攝太陽黑子和耀斑，以前所未有的清晰度揭示太陽風(fēng)暴。

——太陽探測器。深入到距離太陽700萬千米的太陽大氣中，就地獲取太陽風(fēng)和磁場樣品。

——太陽風(fēng)暴檢測飛船。一共有6艘，其中4艘分布在距離太陽3750萬千米的位置上測量x射線、射電和中子輻射，獲取高能粒子和等離子體信息，第5艘位于地球附近，在紫外和可見光波段觀測日冕，最后一艘位于地球后面，檢測太陽光球磁場。

——輻射帶暴探測器。用來測量空間形成的相對論電子和離子對太陽活動(dòng)和太陽風(fēng)的響應(yīng)。

——電離層一熱層暴探測器。用來研究電離層和熱層的密度分布以及地磁的不規(guī)則性。

2 太陽活動(dòng)預(yù)測

透過天文望遠(yuǎn)鏡可以看到，太陽表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些黑點(diǎn)，這就是有名的太陽黑子。太陽黑子是天文學(xué)家最熟悉的太陽活動(dòng)形式，黑子來了又去，留下反映太陽活動(dòng)水平高低的標(biāo)記?？茖W(xué)家通過長期觀測發(fā)現(xiàn)黑子數(shù)目和黑子群面積變化存在11年左右的周期性。后來又發(fā)現(xiàn)，黑子活動(dòng)周期也就是太陽活動(dòng)周期。

在一個(gè)太陽活動(dòng)周期的末期，黑子數(shù)跌落到最少，太陽風(fēng)暴數(shù)量減少到最小，一切變得很平靜，這叫太陽極小。一般說來，太陽極小的時(shí)間不長，在太陽極小過去不到一年，就會(huì)出現(xiàn)下一個(gè)太陽活動(dòng)周期(太陽極大)的上升跡象。但是，最近的太陽極小異乎尋常，即使太陽預(yù)報(bào)專家也無法判斷下一個(gè)太陽活動(dòng)周期會(huì)從何時(shí)開始。

2006年3月10日，美國有關(guān)方面宣布，太陽極小來了，黑子幾乎為零，不存在太陽耀斑，太陽平靜得很。根據(jù)這一現(xiàn)象，美國國家天文研究中心發(fā)出預(yù)報(bào)：一場50年來最強(qiáng)的太陽極大即將來臨，太陽活動(dòng)將比以前的周期強(qiáng)30％到50％。如果這—預(yù)報(bào)無誤，就可能出現(xiàn)強(qiáng)度僅次于1958年的大太陽風(fēng)暴。到了2007年年底，太陽仍然平靜。美國科學(xué)家哈薩韋利用計(jì)算機(jī)模擬作出預(yù)測：2008年將出現(xiàn)比較多的黑子。哈薩韋說： “可以想象，下—個(gè)太陽活動(dòng)周期將是—個(gè)‘非常顯著’的太陽活動(dòng)周期，有很多黑子、很多太陽風(fēng)暴和很多能量釋放到空間。”然而，實(shí)際觀測結(jié)果顯示，2008年的太陽比預(yù)計(jì)的平靜得多，這一年有266天沒有黑子，即73％的晴天太陽上沒有黑子。這種情況即使在太陽極小的年份也很少見到(有記錄以來，只有1913年太陽極小時(shí)出現(xiàn)過類似情況，那一年有85％的晴天沒有出現(xiàn)太陽黑子)。到200'~，太陽活動(dòng)繼續(xù)變?nèi)?，直?009年12月中旬才出現(xiàn)近幾年來最大的黑子群。2009年以后，黑子幾乎消失殆盡，少得連資深的太陽觀測者都感到驚訝。

以上眾多奇怪現(xiàn)象，讓太陽物理學(xué)家也不知應(yīng)該如何估計(jì)下—個(gè)太陽活動(dòng)周期的發(fā)展趨勢。這是—個(gè)值得重視的科學(xué)現(xiàn)象——在長時(shí)間的太陽極小過后，黑子出現(xiàn)了—個(gè)較長的恢復(fù)期，但恢復(fù)期標(biāo)志卻不明顯。它和歷史上出現(xiàn)的“蒙德極小期”極為相似(所謂“蒙德極小期”，是指1645年到1715年期間黑子幾乎消失、太陽活動(dòng)極其稀少的時(shí)期，發(fā)現(xiàn)者是德國科學(xué)家蒙德，故名之)。德國科學(xué)家弗洛指出，如果類似情況從現(xiàn)在開始延續(xù)到2100年，全球氣溫將平均降低0.3℃。他還預(yù)言，在2009年到2010年期間，歐洲將出現(xiàn)異常寒冷的冬季。實(shí)際情況果真如此，弗洛的研究結(jié)論得到了廣泛支持。

那么太陽活動(dòng)是如何影響地球氣候的呢?美國女天文學(xué)家迪克帕蒂根據(jù)大量空間和地面望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果提出，太陽上有兩個(gè)氣體輸運(yùn)帶，它們是在太陽表面內(nèi)外穿越的無限循環(huán)的物質(zhì)和磁場。太陽輸運(yùn)帶類似于美國科幻電影《以后的日子》里的海洋輸運(yùn)帶。電影里的海洋輸運(yùn)帶是將所攜帶的水和熱量從一個(gè)海洋輸運(yùn)到另一個(gè)海洋的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，海洋輸運(yùn)帶停止，全世界氣候就變得一片混亂。太陽輸運(yùn)帶攜帶的不是水，而是電流，是在太陽赤道到兩極的磁環(huán)中往返流動(dòng)的帶電氣體。正如地球上巨大的海洋輸運(yùn)帶對地球天氣有很大影響一樣，太陽輸運(yùn)帶也會(huì)對太陽天氣產(chǎn)生巨大影響，具體來說，它能控制太陽黑子周期。

太陽黑子被科學(xué)家稱為洞悉太陽磁場“靈魂”的窗口，它們形成的地方就是產(chǎn)生于很深的太陽內(nèi)部的巨型磁環(huán)在穿過太陽表面時(shí)浮現(xiàn)和爆發(fā)的地方。由于浮現(xiàn)和爆發(fā)會(huì)失去部分能量，所以太陽表面這些地方的溫度要低一些，看上去要暗一些，就像黑點(diǎn)，故被稱為“黑子”。由此可知，黑子數(shù)的任何變化都反映著太陽內(nèi)部的變化。只有在太陽黑子爆發(fā)的瞬間，我們才有可能真實(shí)地看到太陽的內(nèi)部。另一方面，黑子是太陽“內(nèi)部發(fā)電機(jī)”產(chǎn)生的紊亂磁場的扭結(jié)點(diǎn)(磁節(jié))留在微弱磁場里的“尸體”。當(dāng)輸運(yùn)帶頂部從太陽表面掠過時(shí)，掃去廢舊的老黑子磁場，攜帶著黑子“尸體”從太陽南、北極落入20萬千米深的太陽內(nèi)部。在那里，磁發(fā)電機(jī)效應(yīng)又使黑子“尸體”產(chǎn)生浮力，浮到太陽表面成為新的太陽黑子。這一切發(fā)生得非常緩慢，完成—個(gè)循環(huán)大約需要40年的時(shí)間。

當(dāng)太陽輸運(yùn)帶變快時(shí)，意味著未來周期黑子活動(dòng)將增強(qiáng)。大量觀測表明，1986年到1996年期間太陽輸運(yùn)帶變快，掃去了較多的老磁場，因此，在2010年到2011年期間，應(yīng)當(dāng)再次出現(xiàn)大黑子。哈薩韋認(rèn)為，下—個(gè)太陽極大將出現(xiàn)在2010年或2011年，應(yīng)當(dāng)很“顯著”，而且來得比較快。但迪克帕蒂預(yù)計(jì)，下—個(gè)太陽極大可能出現(xiàn)在2012年。兩位科學(xué)家的預(yù)報(bào)有一年之差，說明現(xiàn)有的預(yù)報(bào)理論還不夠完善，但不管根據(jù)哪種理論， “太陽風(fēng)暴即將到來”這個(gè)結(jié)論是肯定的。

3 太陽耀斑爆發(fā)

2000年6月8日，加拿大北極地磁觀測站突然與外界中斷了聯(lián)系，連手機(jī)也打不通。6月9日凌晨3時(shí)左右，我國滿洲里、長春和蘭州上空F2層電離層均遭到重創(chuàng)。9時(shí)，我國南方地區(qū)上空電離層臨界頻率出現(xiàn)明顯下降。此后，在6月11日和7月份多次出現(xiàn)類似現(xiàn)象。研究證明，上述現(xiàn)象都與太陽耀斑爆發(fā)有關(guān)。

所謂“太陽耀斑”，是指太陽表面上局部區(qū)域突然大規(guī)模地釋放能量。換句話說，耀斑就是太陽大氣里的一種爆發(fā)活動(dòng)。耀斑不僅出現(xiàn)在光學(xué)波段，在射電輻射、可見光、紫外線、x射線直到y(tǒng)射線的整個(gè)電磁波譜上都有。同時(shí)，還出現(xiàn)電子、質(zhì)子和重離子等帶電粒子的加熱和加速過程。耀斑期間發(fā)射的x射會(huì)比平時(shí)增強(qiáng)1000倍，紫外輻射也有明顯增強(qiáng)。x射線增加會(huì)大大增加地球大氣中電離層的電子密度。全球?qū)Ш胶屯ㄐ判l(wèi)星都位于地球上方極易受太陽耀斑影響的位置上，很容易受到傷害，所以當(dāng)出現(xiàn)太陽耀斑爆發(fā)增強(qiáng)時(shí)，短波無線電通信將受到嚴(yán)重干擾，甚至導(dǎo)致無線電通信中斷。

1989年3月13日至14日，太陽耀斑造成的地球磁暴使全球無線電通信受到干擾，日本一顆通信衛(wèi)星出現(xiàn)異常。美國一顆衛(wèi)星的軌道下降。1994年1月20日至21日，兩顆加拿大通信衛(wèi)星在太陽耀斑的影響下發(fā)生故障。2000年西方萬圣節(jié)期間，一系列太陽風(fēng)暴連續(xù)襲擊地球周圍，至少造成兩顆衛(wèi)星失靈，60％的美國宇航局衛(wèi)星上的計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障。1998年5月19日美國“銀河4號”通信衛(wèi)星因受太陽耀斑影響而失控，德國一顆科學(xué)衛(wèi)星也報(bào)廢。2000年7月14日在太陽耀斑嚴(yán)重影響下，歐美的多顆重要的科研衛(wèi)星受到嚴(yán)重?fù)p害。2010年1月美國國家科學(xué)院公布的一份報(bào)告指出，不久后的一次“超級太陽風(fēng)暴”將使美國經(jīng)濟(jì)損失1萬億～2萬億美元。在太陽活動(dòng)22N峰年期間，全球定位衛(wèi)星GPS9783發(fā)生了13次個(gè)位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，每次都與太陽耀斑有關(guān)。

研究認(rèn)為，太陽耀斑還會(huì)對地球氣候產(chǎn)生影響，給歐洲帶來嚴(yán)寒(請參閱相關(guān)鏈接：太陽耀斑對地球氣候的影響)。

相關(guān)鏈接

太陽耀斑對地球氣候的影響

從理論上講，太陽耀斑爆發(fā)將大量能量釋放到行星際空間，以電滋輻射和高能粒子形式傳到地球附近，因而應(yīng)當(dāng)對地球的溫度產(chǎn)生影響。但以前科學(xué)家—直以為，太陽輸出基本上固定不變，因此叫它“太陽常數(shù)”。15年前，美國宇航局和歐洲空間局共同發(fā)射了“日地觀測衛(wèi)星”(簡稱SOH0)，它對兩個(gè)太陽極小、—個(gè)完整的太陽周期和另外兩個(gè)太陽活動(dòng)周期的—部分進(jìn)行了觀測。結(jié)果顯示，在最近的太陽極小期，太陽輸出比前面的平靜期間低0.015％。美國宇航局在1980年發(fā)射的“太陽峰年衛(wèi)星”也觀測到太陽輸出的變化，顯示在同—個(gè)太陽周期里，幾天或幾周內(nèi)太陽釋放的能量可能變化0.1％，這些數(shù)字雖然不大，其意義卻非常重要，說明“太陽常數(shù)”并不不是一個(gè)固定值，而是有微小的變化。

這些微小變化對地球氣候有沒有影響呢?從2003年起，空間飛行器在不同波長上測量了太陽輸出的強(qiáng)度，證明地球氣候變化不僅與太陽活動(dòng)有關(guān)，而且與太陽電磁輻射中的紫外輻射關(guān)系密切。同太陽活動(dòng)有關(guān)的紫外輻射是極遠(yuǎn)紫外輻射(ELW)。觀測表明，EUV同太陽耀斑有很強(qiáng)的關(guān)系：在太陽耀斑爆發(fā)期間，ELW出現(xiàn)明亮的閃耀——ELW暴。這種閃耀有助于把耀斑爆發(fā)的能量帶進(jìn)空間，輸送給地球大氣層里的臭氧層。臭氧層位于大氣層的同溫層(又叫平流層)，能吸收紫外輻射，較多的紫外輻射進(jìn)入同溫層意味著在那里能形成較多的臭氧，而較多的臭氧將導(dǎo)致同溫層吸收更多的紫外輻射，所以在太陽活動(dòng)上升期間同溫層將被加熱。在同溫層熱量增加的背后可能意味著歐洲溫度的升高。有科學(xué)家在1996年明確提出，同溫層溫度升高影響歐洲上空的高空氣流從西向東穿過，還有科學(xué)家進(jìn)—步指出，在太陽活動(dòng)低的時(shí)候，高空氣流容易碎裂形成巨大的“漫游者”，阻止來到歐洲的溫暖的西風(fēng)，讓西伯利亞的北極風(fēng)得以控制歐洲的天氣

4 當(dāng)太陽風(fēng)襲來

有人形象地把“太陽上發(fā)生耀斑，地球上出現(xiàn)反應(yīng)”比作：太陽打“噴嚏”，地球就“感冒”。這種“噴嚏”與“感冒”的關(guān)系表明，在太陽和地球之間存在我們看不見的“聯(lián)絡(luò)線”。這個(gè)“聯(lián)絡(luò)線”就是太陽風(fēng)。巨大太陽風(fēng)襲擊地球所帶來的災(zāi)難是巨大的。供電系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)將遭到破壞，信息不暢通，指揮不到位，沒有警報(bào)，沒有光明，使整個(gè)國家陷于混亂無序之中，空中交通管理失控，醫(yī)院手術(shù)和其他治療無法進(jìn)行。沒有電，沒有互聯(lián)網(wǎng)，電視或報(bào)紙都沒有，人類文明將回到18世紀(jì)。

所謂太陽風(fēng)，指從太陽上“吹”來的風(fēng)，不過它不是空氣流動(dòng)，而是帶電粒子流和磁場。太陽風(fēng)有兩種來源，一種是百萬攝氏度高溫的日冕物質(zhì)自然膨脹形成的，叫做“寧靜太陽風(fēng)”，平均速度是每秒450千米；一種是太陽大氣里的爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的，叫做“擾動(dòng)太陽風(fēng)”，速度較高，—般在每秒1000千米以上，最高可達(dá)每秒3200千米。在擾動(dòng)太陽風(fēng)中，有一種來自日冕物質(zhì)拋射(CME)，也是太陽大氣里的一種爆發(fā)活動(dòng)，發(fā)生在太陽最外層大氣——日冕上，是從日冕向外拋射物質(zhì)。一次巨大的CME拋射的物質(zhì)可達(dá)到180億噸。CME一般是獨(dú)立產(chǎn)生的，有時(shí)也和耀斑共生，有趣的是它還能在行星際空間產(chǎn)生。

太陽風(fēng)“吹”到地球，將擾亂地球的磁層。地磁層是地球周圍的—個(gè)保護(hù)層，—個(gè)看不見、摸不著的巨大磁化區(qū)域，是太陽高能帶電粒子的天然屏障，正因?yàn)橛辛诉@道屏障我們才能安安穩(wěn)穩(wěn)地生活在地球上。地磁層的外邊緣與行星際交界的地方叫“磁層頂”。在地磁南、北極上方的磁層頂形狀像漏斗，它允許少量太陽風(fēng)帶電粒子“漏”進(jìn)磁層，在地球附近沿磁力線繞圈子。同時(shí)向地球兩極沉降，在沉降過程中與地球高層大氣發(fā)生碰撞，發(fā)出燦爛的光芒，這就是極光。由于這些粒子只向地球兩極沉降，所以極光一般只出現(xiàn)在兩極地區(qū)上空，但在大量帶電粒子“漏”進(jìn)磁層的情況下，地球的中、低緯地區(qū)上空也有可能出現(xiàn)極光。

一般情況下，太陽風(fēng)把地球向陽面磁層向里壓縮，背陽面磁層向外拉伸形成長長的磁尾，磁層本身則巋然不動(dòng)。當(dāng)磁層受到擾動(dòng)時(shí)，磁層防御太陽風(fēng)的能力會(huì)削弱，讓高能帶電粒子進(jìn)入磁層。一般的擾動(dòng)稱為“磁層擾動(dòng)”，強(qiáng)烈的擾動(dòng)稱為“磁暴”。在磁暴期間，磁層失去防御能力，高能帶電粒子便—擁而上，來到地球附近，產(chǎn)生各種效應(yīng)，制造多種破壞：當(dāng)太陽風(fēng)掠過地球時(shí)將使電磁場發(fā)生變化，引起地磁暴、電離層暴，影響通信特別是短波通信；對地面電力網(wǎng)、管道發(fā)送強(qiáng)大感生電流，影響輸電、輸油、輸氣管等系統(tǒng)的安全，甚至造成管道爆炸；影響衛(wèi)星在太空中的正常運(yùn)行，破壞衛(wèi)星上的儀器設(shè)備；大劑量輻射引起人體免疫力下降，造成病變、情緒波動(dòng)，間接導(dǎo)致車禍等事故發(fā)生；使氣溫升高，致使生態(tài)環(huán)境失去平衡。

名詞解釋

太陽組成太陽由太陽大氣和太陽內(nèi)部兩部分組成，太陽大氣分為三層，由里到外分別是光球、色球和日冕，日冕又分為內(nèi)冕和外冕。內(nèi)冕是真正的太陽大氣，外冕實(shí)際上是太陽大氣向外延伸的部分。太陽內(nèi)部位于光球里面，這里溫度很高，壓力很大，時(shí)刻進(jìn)行著由氫轉(zhuǎn)變成氦的熱核過程，產(chǎn)生大量能量。太陽內(nèi)部產(chǎn)生的能量由磁場輸運(yùn)到太陽大氣里，供太陽活動(dòng)和向外輻射。

太陽活動(dòng)發(fā)生在太陽各層大氣里的各種活動(dòng)的總稱，包括黑子、耀斑、譜斑、日珥和日冕物質(zhì)拋射等。黑子產(chǎn)生在光球，耀斑和譜斑出現(xiàn)在色球，日珥和日冕物質(zhì)拋射是日冕的活動(dòng)現(xiàn)象。各種太陽活動(dòng)之間有聯(lián)系，但它們常常是獨(dú)立出現(xiàn)的。

黑子周期日面上黑子數(shù)目和黑子群的面積都呈現(xiàn)由小變大和由大變小的過程。黑子數(shù)和黑子群的面積由極大－極?。瓨O大所需的時(shí)間叫做黑子活動(dòng)周期，約為11年。后來發(fā)現(xiàn)，這也是太陽活動(dòng)周期。

太陽活動(dòng)極大是指在一個(gè)太陽活動(dòng)周期內(nèi)太陽活動(dòng)最頻繁的年份。

太陽活動(dòng)極小是指在一個(gè)太陽活動(dòng)周期內(nèi)太陽活動(dòng)最不活躍的年份。

磁暴的破壞

地球磁層又叫地磁層或磁層，是地球的保護(hù)傘，有了磁層，我們才能安全地生活在地球這個(gè)宇宙綠洲上。如果沒有磁層，一旦發(fā)生磁暴，我們將受到以下一系列的破壞和傷害：

生物系統(tǒng) 越來越多的證據(jù)表明，地磁場變化會(huì)影響生物系統(tǒng)，比如在地磁暴期間信鴿的導(dǎo)航能力會(huì)下降。信鴿、海豚和鯨等遷徙動(dòng)物的體內(nèi)都有“生物羅盤”，即包裹在束神經(jīng)細(xì)胞里的礦物磁場。 “生物羅盤”使信鴿等遷徙動(dòng)物擁有種叫做“磁接收”的能力。在磁暴期間，地磁場被擾亂，這些動(dòng)物的磁接收能力就會(huì)減低甚至喪失，導(dǎo)致其導(dǎo)航能力下降。研究表明，人類在身體緊張時(shí)，其生物學(xué)系統(tǒng)也可能對地磁場起伏有響應(yīng)。

通信系統(tǒng) 許多通信系統(tǒng)利用電離層把無線電信號反射到遠(yuǎn)方。電離層暴能影響一切緯度的無線電通信，一些無線電頻率被吸收，另一些則被反射，導(dǎo)致信號快速漲落和出現(xiàn)意想不到的傳播路線。太陽活動(dòng)對電視和商業(yè)無線電網(wǎng)的影響較小，但在地面對空間、船舶對岸上方面，常使短波廣播和業(yè)余無線電愛好者使用的頻率受到騷擾。利用HF波段的無線電工作者可依靠太陽和地磁的警報(bào)，保持其通信線路正常運(yùn)行，但一些軍事探測系統(tǒng)和電報(bào)系統(tǒng)，則受到太陽活動(dòng)的較大影響，主要如下：

——受太陽活動(dòng)影響的軍事探測或早期預(yù)警系統(tǒng)。包括：依靠從電離層彈回的信號在遠(yuǎn)距離上探測飛行器和遠(yuǎn)程導(dǎo)彈發(fā)射的超視距雷達(dá)，它們在地磁暴期間可能受無線電紊亂的嚴(yán)厲束縛；利用潛艇磁標(biāo)識作輸入定位的潛艇探測系統(tǒng)，它們在地磁暴期間可能輸入假信號和錯(cuò)誤信號。

——電報(bào)系統(tǒng)。以前的電報(bào)使用一根數(shù)千米長的金屬線作為數(shù)據(jù)傳輸線，使用大地作為返回線，用電池提供直流電源。這樣的線路容易受環(huán)流造成的漲落影響，當(dāng)電池極性減弱或者加上過強(qiáng)的或假的信號時(shí)，地磁暴感應(yīng)的電壓與電流可導(dǎo)致信號減弱。操作員在這種情況下甚至切斷電池電源，依靠感應(yīng)電流作為電源。在極端情況下感應(yīng)電流很高，會(huì)造成接收端爆裂起火、操作人員遭電擊等惡性事件。地磁暴還會(huì)影響長途電話線，包括海底電纜(光纖電話線除外)。地磁暴對通信衛(wèi)星的破壞是擾亂地球與空間的電話、電視、無線電和互聯(lián)網(wǎng)。

導(dǎo)航系統(tǒng) 當(dāng)太陽活動(dòng)妨礙信號傳播時(shí)，對GPS和遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)造成不利影響。

衛(wèi)星 地磁暴和太陽紫外輻射增強(qiáng)使地球上層大氣加熱，造成空氣膨脹，當(dāng)熱空氣上升時(shí)，遠(yuǎn)在1000千米遠(yuǎn)的衛(wèi)星軌道上的空氣密度會(huì)顯著增加，從而增加空間對衛(wèi)星的阻力，造成衛(wèi)星速度減慢和下落，最后在空氣中燒毀。較強(qiáng)的太陽活動(dòng)曾造成美國的“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站過早地再入地球大氣層。在1989年3月發(fā)生的巨大磁暴期間，有4顆美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星離開服務(wù)軌道長達(dá)一個(gè)多星期，美國航天司令部還公布了受影響的1000多個(gè)飛行器新的軌道數(shù)。同年12月，著名的“太陽峰年衛(wèi)星”也跑出了軌道。

地質(zhì)考察 地質(zhì)學(xué)家在研究石油、天然氣和其他礦床時(shí)，常利用地磁場作為標(biāo)識來確定地下巖石的結(jié)構(gòu)，這種研究大多只能在地磁場靜止時(shí)進(jìn)行，因?yàn)檫@樣才能真正探測到磁場標(biāo)識，但也有一些研究只能在地磁暴期間進(jìn)行，因?yàn)檫@時(shí)地下電流能幫助研究人員觀測地球表面以下石油或礦物的結(jié)構(gòu)。由于這些原因，許多研究者利用地磁警報(bào)和預(yù)報(bào)來安排他們的測量活動(dòng)。

電網(wǎng) 當(dāng)磁場相對于附近導(dǎo)體(如金屬絲)移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。在地磁暴期間，所有長傳輸線上都可產(chǎn)生感應(yīng)電流。同樣的機(jī)制在電報(bào)和電話線中也有效。因此，使用數(shù)千米長傳輸線的電力系統(tǒng)容易遭到感應(yīng)電流的破壞。在這方面，中國、北美和澳大利亞尤其要注意。歐洲電網(wǎng)應(yīng)用較短的電纜，受這種效應(yīng)的影響小得多。

管道 快速起伏的地磁場可在管道里產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流，造成許多問題，如在管道里流動(dòng)的物質(zhì)發(fā)送錯(cuò)誤的流動(dòng)信息，使管道的腐蝕率急劇增加，等等。如果在磁暴期間不正確地使電流平衡，腐蝕率可能一次次增加。因此，管道管理者應(yīng)收聽空間天氣警報(bào)，提前做好防御性測量。

5 應(yīng)對太陽風(fēng)暴

前面所述的種種由太陽大氣里的劇烈爆發(fā)活動(dòng)(黑子爆發(fā)、耀斑爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射等)釋放的大量帶電粒子所形成的高速粒子流，科學(xué)家稱之為“太陽風(fēng)暴”。根據(jù)美國宇航局發(fā)出的最新警告，在2013年第24個(gè)太陽極大到來時(shí)，地球上有可能遭遇“超級太陽風(fēng)暴”的襲擊。姑且不論屆時(shí)是否真的發(fā)生“超級太陽風(fēng)暴”，未雨綢繆、做好應(yīng)對太陽風(fēng)暴的準(zhǔn)備無疑是必須的。

1859年的“卡林頓事件”是一個(gè)提醒(參閱相關(guān)鏈接：卡林頓事件)，不過當(dāng)時(shí)沒有手機(jī)，沒有GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，沒有衛(wèi)星，沒有許許多多現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備，人們只是借助電報(bào)網(wǎng)通信，運(yùn)用羅盤進(jìn)行全球?qū)Ш?，因此?dāng)時(shí)的太陽耀斑大爆發(fā)僅對電報(bào)網(wǎng)和羅盤產(chǎn)生了影響，使電報(bào)發(fā)不出去，羅盤失去作用，僅此而已。然而，今天的情況已大不相同，各種電器設(shè)備進(jìn)入千家萬戶，電視機(jī)、電話機(jī)、手機(jī)、電腦等已成為平民百姓的日用器具，家家戶戶都用電、用煤氣，電線、管道成為城市居民的生活必需品，并且已經(jīng)發(fā)展到廣大的農(nóng)村。可想而知，在今天如果遭遇像：卡林頓事件，那樣的太陽風(fēng)暴，世界的經(jīng)濟(jì)損失和物質(zhì)損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)年。那么，面對嚴(yán)重太陽風(fēng)暴的威脅，我們應(yīng)該怎么辦?

為了預(yù)防太陽風(fēng)暴，我們首先要了解太陽風(fēng)暴，這包括確定太陽極大到來的時(shí)間和太陽風(fēng)暴打擊地球的時(shí)間。當(dāng)然，確定太陽極大到來的時(shí)間是困難的，因?yàn)榫薮筇栵L(fēng)暴出現(xiàn)在太陽磁場周期(22年)和黑子周期(11年)的交會(huì)時(shí)間，如果太陽磁場周期和黑子周期正好是22年和11年，那么每隔22年就會(huì)出現(xiàn)巨大的太陽風(fēng)暴。但是，11年的黑子周期只是一個(gè)平均值，實(shí)際上黑子周期曲線就像過山車，上下震蕩得很厲害，有時(shí)是9年，有時(shí)是13年或14年。曲線的峰值和谷值差異也很大，有些峰值高，有些峰值低；有些谷值的持續(xù)時(shí)間異常短暫，僅兩年，有些谷值的持續(xù)時(shí)間卻拉得很長。例如在17世紀(jì)著名的“蒙德極小期”，太陽暴跌到70年無黑子。由于很難計(jì)算太陽磁場周期和黑子周期的交蕩點(diǎn)，因此科學(xué)家無法給出産巨大太陽風(fēng)暴的準(zhǔn)確時(shí)間。

即將到來的第24個(gè)太陽活動(dòng)周期基本上處在上述兩個(gè)周期的交匯時(shí)間，所以科學(xué)家預(yù)報(bào)有可能出現(xiàn)巨大太陽風(fēng)暴。由于預(yù)報(bào)專家組成員采用的計(jì)算模型不盡相同，得到的交匯時(shí)間有所不同，所以在2007年發(fā)布早期預(yù)報(bào)時(shí)，專家組中存在著尖銳分歧，最后大家接受了這樣的方案：太陽極小在2008年，后面既可能在2011年出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的太陽極大，也可能在2012年出現(xiàn)一個(gè)弱的太陽極大。

預(yù)報(bào)太陽風(fēng)暴打擊地球的時(shí)間關(guān)鍵在于觀測，因?yàn)樘栵L(fēng)暴來自太陽大氣活動(dòng)，太陽大氣活動(dòng)的能量來自太陽磁場，太陽磁場產(chǎn)生于太陽內(nèi)部，由輸運(yùn)帶輸運(yùn)到太陽大氣里，太陽大氣里的磁場位形發(fā)生巨大變化就能出現(xiàn)耀斑，釋放電磁波和高能帶電粒子。如果耀斑位于日面中心，耀斑指向地球，只需8分19秒，電磁輻射就能到達(dá)地球，18小時(shí)后高能帶電粒子就能來到地球附近，轟擊地球大氣，造成太陽風(fēng)暴。而位于日面邊緣的耀斑則需要等太陽自轉(zhuǎn)將耀斑轉(zhuǎn)到指向地球時(shí)，地球上才能接收到它的輻射，因此時(shí)間就會(huì)長一點(diǎn)。觀測耀斑，了解耀斑發(fā)生的時(shí)間和位置，就能預(yù)警太陽風(fēng)暴的發(fā)生。

美國宇航局的“先進(jìn)綜合考察衛(wèi)星”目前正日夜不停地在太空進(jìn)行監(jiān)測，可以提前15～60分鐘預(yù)警太陽風(fēng)暴的發(fā)生。但實(shí)踐結(jié)果表明，15～60分鐘的預(yù)警時(shí)間對做預(yù)報(bào)是不夠的。所以，太陽物理學(xué)家正在嘗試了解太陽耀斑觸發(fā)機(jī)制，以改善太陽耀斑預(yù)報(bào)能力。目前美國宇航局的“日地關(guān)系天文臺”(STEREO)正在進(jìn)行相關(guān)的探測試驗(yàn)。STEREO由兩艘完全相同的飛船組成，彼此分開數(shù)百萬千米，飛行軌道與地球軌道相同，一艘在地球前面，一艘在地球后面，到地球的距離相同。它們用相同的儀器觀測太陽和地球之間的空間區(qū)域，搜尋太陽表面上方突然出現(xiàn)的膨脹等離子體泡。耀斑一旦爆發(fā)，兩艘STEREO立刻從兩個(gè)有利的觀測點(diǎn)上分別進(jìn)行探測。利用它們提供的觀測資料，科學(xué)家可以重建太陽氣體噴射三維圖像，確定噴射方向，預(yù)測它們是否會(huì)打擊地球。

一旦太陽風(fēng)暴擾動(dòng)和轟擊地球大氣，英國科學(xué)家就會(huì)啟動(dòng)“超級雙極光雷達(dá)網(wǎng)”觀測從南極和北極進(jìn)入地球大氣的粒子，了解太陽風(fēng)暴如何同地球作用及其所產(chǎn)生的破壞性效應(yīng)。不過，要從根本上了解太陽耀斑觸發(fā)機(jī)制還得像“生命與恒星”計(jì)劃描述的那樣，用分布在太陽到地球之間的廣闊空間的飛船艦隊(duì)“氣象臺”嚴(yán)密監(jiān)視太陽的一切活動(dòng)。

預(yù)防太陽風(fēng)暴最要緊的是建立危機(jī)感，認(rèn)識我們正面臨太陽風(fēng)暴的威脅。太陽和地球之間有1.5億千米的空間距離，從表面上看這是一個(gè)很安全的距離，但自空間時(shí)代以來，特別是最近幾年，人們越來越認(rèn)識到這1.5億千米其實(shí)并不安全一來自太空飛船和地面的觀測指出，地球位于太陽外大氣層之中，被太陽風(fēng)暴打來打去，經(jīng)常受到太陽風(fēng)暴的高能粒子襲擾。

在20世紀(jì)之前，太陽風(fēng)暴對人類生活似乎并未產(chǎn)生什么影響，但在今天，空間天氣對人類生活的影響越來越大。目前有500多顆人造衛(wèi)星正繞著地球旋轉(zhuǎn)，電視、電話、互聯(lián)網(wǎng)、GPS導(dǎo)航和天氣預(yù)報(bào)都要依靠它們，而它們對空間天氣十分敏感；搭載著宇航員的“國際空間站”日夜不停地繞地球運(yùn)行，它位于地磁場內(nèi)部，享有地球的防護(hù)，但在不久的未來，宇航員還要去月球和火星，他們的旅途大部分都將在地磁場外面，太陽風(fēng)暴將直接危及宇航員們的安危。所以，關(guān)注太陽風(fēng)暴并積極應(yīng)對它們顯得越發(fā)重要。

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卡林頓事件

1859年8月28日至9月2日，光潔的太陽表面上出現(xiàn)了許多黑子。9月1日，為了研究太陽黑子，英國天文學(xué)家卡林頓在紅日升起的時(shí)候走進(jìn)觀測室，打開天窗，開始工作。像往常一樣，他把大望遠(yuǎn)鏡指向太陽，鋪開紙，用筆畫起黑子來。11時(shí)18分，正當(dāng)他畫好一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大黑子群時(shí)，他的眼前突然一亮：黑子群里閃出兩個(gè)明亮的小光點(diǎn)，它們快速地向同一方向移動(dòng)，5分鐘后消失在黑子群中。起初，這并未引起卡林頓的太多注意，但在18個(gè)小時(shí)后，歐洲許多地磁觀測站記錄到了強(qiáng)烈的地磁擾動(dòng)，印度孟買戈拉巴天文臺測量到地磁水平分量減少，同時(shí)電報(bào)發(fā)不出去，羅盤的指針不停地?cái)[動(dòng)，短波無線電波傳不出去。更令人費(fèi)解的是，當(dāng)晚北歐和美洲北部大部分地區(qū)的天空中出現(xiàn)了五彩繽紛的極光，紅的、綠的、藍(lán)的，像天鵝絨似的，美麗極了。美麗的極光甚至在夏威夷、墨西哥、古巴和意大利上空都能看到。這就是著名的“卡林頓事件”。

卡林頓看到的亮點(diǎn)其實(shí)就是太陽上的巨大耀斑。一個(gè)大耀斑可發(fā)射高達(dá)60億億億焦耳能量，比1000萬座巨大火山爆發(fā)釋放的能量還要多。1945年8月6日，美國在日本廣島投下一枚原子彈，將面積本來就不大的廣島市大部分夷為廢墟。然而，同太陽耀斑相比，原子彈的爆炸力真是小巫見大巫。太陽耀斑釋放的能量比1001乙枚原子彈同時(shí)爆炸產(chǎn)生的能量還大，相當(dāng)于100億枚氫彈爆炸。如果用這些能量來發(fā)電，可發(fā)出2萬億億千瓦電，可供63萬億只100瓦的電燈泡日夜不停地照明1億年!

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太陽風(fēng)暴干擾地球磁場造成美麗極光

2010年8月初，太陽活動(dòng)加劇，發(fā)生一系列大規(guī)模爆發(fā)，一波又一波的高能帶電粒子流穿越漫長距離到達(dá)地球。8月4日～10日夜，北美洲部分地區(qū)尤其是美國密歇根州天清氣朗，人們有幸目睹并拍攝下太陽風(fēng)暴干擾地球磁場所造成的美麗極光。