歷史上知名的強烈太陽風暴對地球的影響有多大？丨Calling太空_風聞

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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恆星。當太陽特別活躍時，太陽爆發活動噴發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

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定又緊密耦合的複雜系統，這個系統通常稱為地球空間環境。當太陽劇烈爆發時，增強的電磁輻射、高能帶電粒子流和高速等離子體雲將對地球形成三輪攻擊，打破地球空間環境相對穩定寧靜的局面。

▲ 太陽爆發對地球的三輪攻擊示意圖

第一輪攻擊——增強的電磁輻射

太陽電磁輻射的能量主要分佈在可見光和近紅外光譜區。當太陽耀斑爆發時，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量級。這些增強的輻射以光速（大約8分鐘）抵達地球空間，由於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）到達地球空間後轟擊磁層，並能突破地球磁場的重重防線，進入衞星軌道，對衞星和其它空間飛行器來説可能就是一場災難；對於在空間執行任務的航天員來説，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；對於穿越極區的航空乘客來説，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。由於極區地磁場的磁力線是開放的，高能粒子流能夠沿着磁力線沉降到極蓋區上層大氣中，引發極蓋吸收事件，影響極區無線電通信。

第三輪攻擊——等離子體雲

等離子體雲以日冕物質拋射的形式從太陽上噴發出來，將巨大的能量傾泄到磁尾的大尺度空間中，引發磁層劇烈動盪。磁尾高密度的等離子體在電磁場的驅動下，加速衝向地球（大約18小時-數天），增強赤道環電流，引起全球範圍劇烈的地磁擾動——地磁暴，等離子體也可能在從磁尾註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，形成全球範圍的高能電子增強現象——高能電子暴。等離子體還可以注入到極區和電離層中，引發電離層暴，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。在此之後，太陽風暴帶給人類社會更多的是一道道傷痕，而且隨着社會發展，其傷害所涉及的範圍也越來越廣，上可到太空中遨遊的衞星，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。在卡林頓事件發生期間，觀測技術還不夠成熟，空間環境擾動監測數據也不夠全面。但事後人們從高能粒子數量、極光範圍、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。 

▲ 太陽爆發示意圖

事件強度

**高能粒子數量：**大於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。創下了迄今為止高能粒子事件最強紀錄。 

**極光範圍：**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在。

**地磁擾動：**在太陽耀斑爆發的17.5小時後，Dst指數最大下降到-1760納特。這次事件的地磁暴強度是1989年3月地磁暴的4倍。

▲ 1859年大磁暴期間，低緯地區觀測到的紅色極光

 （這張照片是2001年5月磁暴期間在加利福尼亞納帕山谷拍到的）

▲ “卡林頓”事件與十大空間災害事件Dst對比圖 

造成的危害

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

▲ 卡林頓事件對電報行業造成嚴重損害

No.2 1989年3月太陽風暴-魁北克省大斷電事件

1989年3月，日面上出現了一個超級活動區，該活動區掀起了一場劇烈的太陽風暴，使地球上發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為對加拿大魁北克省電力系統的嚴重破壞，因此，我們將這次太陽風暴稱為“魁北克省大斷電事件”。

▲ 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雲影響，發生2次強太陽質子事件。第一次大太陽質子事件持續5天，峯值通量為1500pfu，第二次大太陽質子事件持續2天，峯值通量為1250pfu。

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

**電離層擾動：**共產生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：**較低緯度地區如北半球的美國佛羅里達州、古巴等地都看到了極光。

▲ 地面台站所獲得的各地磁指數

造成的危害

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

**衞星：**在太陽爆發活動期間，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衞星也遭受了不同程度的影響。如美國GOES-7衞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，日本通訊衞星CS-3B異常，搭載在衞星上的備用命令電路損壞等等。

▲ 磁暴對電力系統影響（示意），白色表示燈火通明

No.3 2003年萬聖節太陽風暴

2003年10月底至11月初期間，太陽上發生了一系列強烈的爆發活動，造成了日地空間環境巨大擾動。受此影響，美國加州中部上空出現了罕見的極光；約半數衞星出現故障，日本先進地球觀測衞星-2（ADEOS-2）完全失效；全球範圍內的通訊受到干擾，海事緊急呼叫系統癱瘓，珠峯探險隊通訊中斷；全球定位系統精度降低；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，因正值西方萬聖節前後而被命名為“萬聖節太陽風暴”。

▲ 黑子羣AR486爆發X28級巨耀斑

事件強度

**太陽耀斑：**日面上共爆發了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：**太陽質子事件的峯值流量達到29500pfu，是GOES衞星1976年觀測以來第4大值。

**地磁暴：**Ap指數達到204，是自1932年有記錄以來的第9大極值。

  

▲ 萬聖節太陽風暴期間的高能粒子環境與地磁環境

造成的危害

**通信衞星：**致使46顆通信衞星報告了異常。

**國際空間站：**經歷了反常摩擦阻力。

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

**地球軌道衞星：**大約59%的空間科學任務受到了影響，其中24%的任務關閉的儀器採用可保護行為。

**通信：**全球短波通訊中斷，超視距雷達、民航通訊出現故障；伊拉克戰場美英聯軍通訊受到影響；珠穆朗瑪峯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導航定位系統報告了數次的干擾問題，GPS用户也報道了應用衰弱和中斷。

**航空：**極區航線受到很大影響。

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

三、如何應對太陽風暴？

瞭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定與經濟社會發展帶來的危害，是當前必須高度重視的一種自然災害現象。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、產品製作與服務起步較晚，目前仍侷限在部分業務領域，主要集中在對空間資產的影響及防護。我國關鍵基礎設施規模大、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，根據現代信息傳播手段的特點，製作形式多樣且容易被不同受眾接受的信息產品。

二是大力構建空間環境研究與觀測網，提高空間天氣預報產品服務水平。

空間天氣變化與太陽活動直接相關，既有一定的變化特徵和規律，又有很大隨機性與突發性。因此，空間天氣事件預報和預警必須建立在持續太陽觀測，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為主，地面與空間觀測相結合的太陽觀測網，進一步做好觀測數據積累、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律及對地球空間環境影響的特徵，研究制定相應的標準體系。第三，不斷提高空間天氣預報產品製作與服務水平，理順空間天氣預報產品的服務渠道，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合應對的全球挑戰。長期以來，由國際機構聯合開展的太陽觀測、研究等活動，在空間環境研究、空間天氣事件預測等方面發揮了積極作用。我國作為一個世界性大國，在空間研究開發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作項目，共享國際研究成果，共同提升應對空間天氣事件的能力。

來源：中國科學院國家空間科學中心