2022年01月03日 11:00
環球科學
1859年的卡林頓事件是有觀測記錄以來人類經曆過的最劇烈的一次太陽風暴，然而曆史上的太陽風暴可以比它強數十甚至數百倍。科學家發現，在過去一萬年裏地球至少受到了三次超級太陽風暴的沖擊。這些超級太陽風暴可能來自萬年一遇的「超級耀斑」。如果今天地球被這樣的超級太陽風暴擊中，全球聯網的社會將會受到毀滅性的破壞，所有的電子數據可能都會被抹去。
在這篇節選自《環球科學》1月新刊的文章中，喬納森·奧卡拉漢將帶著我們回到過去，看看古代發生的超級太陽風暴對我們地球造成了什麼樣的影響，以及未來我們將因為這些特別活躍的太陽活動失去些什麼。
撰文|喬納森·奧卡拉漢（Jonathan O‘Callaghan）
翻譯|丁一
每隔一段時間，太陽就會爆發耀斑，釋放出大量的粒子和輻射，對地球造成嚴重破壞。150多年來，科學家一直在研究這些太陽風暴（太陽耀斑和其他太陽表面氣體湍動現象）如何影響了我們地球。他們對其中一次事件給予了特別的關注：1859年的卡林頓事件，這可能是規模最大的一次太陽風暴。
太陽耀斑產生的拋射物猛擊地球，將大量能量注入地球磁場，引發了一場大規模的地磁暴，並形成美麗的極光。同時，地磁暴也在電報線路上引發了電火花。令人意外的是，這場太陽風暴對當時電力基礎設施所造成的影響並不大。然而，當今的科學家意識到，卡林頓事件以及在1921年發生的強度相近的太陽風暴，是一種不祥的預兆，預示著未來可能也會發生類似的災難。
2012年，科學家第一次意識到太陽風暴可能會造成更嚴重的危害。那一年，日本名古屋大學的三宅芙沙（Fusa Miyake）帶領的團隊發現，公元775年左右發生了超級太陽風暴，比卡林頓事件的要強10到100倍。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的尼古拉斯·布雷姆（NicolasBrehm）說：「這真的令人非常震驚，因為我們過去一直認為這種強度的太陽風暴是不可能發生的。」
太陽耀斑和發光的等離子體層從太陽的一個激烈活動區域升起。
當時科學家猜測，這次發現的古代超級太陽風暴可能來自萬年一遇的「超級耀斑」，它比普通的太陽耀斑要強數千倍。如果今天地球被這樣的超級太陽風暴直接擊中，我們全球聯網的社會將受到毀滅性的破壞。
科學家已經發現，這些太陽風暴發生的頻率比我們想象的要高得多。最近，科學家在研究近代地質化學史時，發現了另外兩次超級太陽風暴的證據。
遠古的遺跡
在布雷姆負責的一篇論文中，科學家發現了兩個可怕的強太陽風暴事件。一次發生在公元前7176年，那時遊牧的狩獵采集社會正在被農耕的定居社會取代；另一次發生在公元前5259年，那時的地球正在走出末次冰期。他們認為這兩次太陽風暴的強度至少與公元775年的太陽風暴相當。過去十年間，科學家一直在尋找類似的極端太陽風暴事件，而布雷姆團隊是第一個找到的。現在，科學家把導致這類太陽風暴的超級耀斑稱為「三宅事件」。
為了尋找這類太陽風暴，研究人員需要對極地冰蓋樣本，以及保存在積水沼澤或山頂高處的古樹樣本進行化學分析。當太陽粒子撞擊大氣層時，大氣層中的多種元素會變成具有放射性的不穩定形式，即變成了同位素，隨後這些同位素會積聚在這些樣本上。例如，太陽活動所形成的碳14同位素，會被樹木在生長過程中吸收。由於樹幹上的每一圈年輪對應著一個年份，科學家就能據此獲知由太陽活動增加所引起的同位素峰值的准確時間——一圈年輪中的碳14越多，對應年份撞擊地球大氣層的太陽粒子就越多。
美國亞利桑那大學年輪研究實驗室的夏洛特·皮爾遜（CharlottePearson，布雷姆論文的共同作者）說，樹木的年輪「使我們能夠重建放射性碳同位素含量與時間的關聯，而且引起這些同位素含量波動的關鍵因素之一就是太陽的活動。」
科學家通過研究極地冰芯中鈹10和氯36的濃度，也可以進行類似的測量，但精度略低。以上這兩種方法結合在一起就可以精確描述曆史事件。科學家現在掌握了大部分全新世時期樹木的年輪數據，全新世是最年輕的地質年代，始於大約12000年前。然而，通過研究年輪數據來尋找碳14峰值非常耗時，僅僅調查一個年份，就需要花幾周的時間來分析、交叉關聯多個年輪樣本。論文的共同作者，英格蘭曆史遺產保護局（HistoricEngland）的科學測年負責人亞曆山德拉·貝利斯（Alexandra Bayliss）表示：「全新世有12 000年的數據等待分析，而我們僅完成了其中的16%，這項工作極其耗費時間和金錢。」
尺寸令行星都相形見絀的大日珥從太陽上爆發出來，釋放出大量的物質和輻射。
布雷姆和他的團隊很幸運。對於公元前7176年的太陽耀斑事件，他們先是發現了冰芯中鈹10峰值的初步證據，接下來他們對年輪數據進行分析，發現了與之對應的碳14的峰值。對於公元前5259年的太陽耀斑事件，貝利斯注意到了這一時期考古數據有一個空白。之後，在研究這個時期樹木年輪中碳14的數據時，該小組發現了另一個峰值。布雷姆說：「這兩個時間點上都出現了碳14含量激增，」而且其增長幅度類似於三宅芙沙確定公元775年太陽耀斑事件時所用的樣本。
起初，科學家並不確定究竟是什麼導致了這些放射性同位素含量激增，有些人認為不太可能是由太陽活動引起的。然而在2013年，美國沃什本大學的布賴恩·托馬斯（BrianThomas，並未參與布雷姆的最新研究）領導的一項研究表明，太陽耀斑很可能就是幕後推手。
托馬斯說：「有人曾認為公元775年的峰值可能來自超新星爆發，或是伽馬射線暴，但這些現象實在是太罕見了，不可能導致如此頻繁的峰值。這些解釋都不如太陽活動的解釋合理。」這些太陽活動可能伴隨著類似卡林頓事件的地磁暴，但強度更大。貝利斯指出：「在樹木年輪和冰芯樣本中都檢測不到卡林頓事件的痕跡。」這表明，與那些超級太陽耀斑事件相比，卡林頓事件甚至都有些微不足道了。
即便如此，太陽粒子峰值和伴隨產生的地磁暴強度之間的確切關聯仍不清楚。托馬斯說：「一場強大的太陽風暴往往會伴隨著地磁暴，但並非總是如此。」甚至可能像卡林頓事件那樣，地磁暴根本不會引起碳14含量的激增。這可以解釋為什麼在該事件發生時的年輪和冰芯數據中，科學家並沒有發現碳14含量峰值。
然而，有跡象表明，至少公元775年的太陽風暴伴隨有強烈的極光，當時的中國也有相關記載。這就說明了大量太陽粒子湧入的同時還伴隨有強烈的地磁暴。托馬斯說：「我們可以合理假設，所有這些太陽耀斑事件都導致了強烈的地磁暴。」
扭曲的磁場形成的巨大漩渦引發了太陽風暴，它遵循11年的太陽活動周期。
如果這種關聯是正確的，則說明僅在過去的一萬年裏，地球就受到了至少三次超級太陽耀斑的沖擊。其他可能存在的超級耀斑事件，需要在剩下的84%的現有樹木年輪數據中尋找證據，這些數據尚未被用於碳14峰值分析。皮爾遜說：「在過去的一萬年中只有一個峰值，這似乎並不現實。但在此之前，科學家確實以為就發生過一次超級太陽耀斑。現在我們又發現了另外兩次超級太陽耀斑的痕跡，我不確定這是令人驚訝還是令人擔憂。」
「互聯網末日」
最主要的擔憂是，如果這樣的超級太陽耀斑發生在今天，它可能會嚴重破壞近地軌道上的衛星和地面上的基礎設施。1989年3月，一場比卡林頓事件弱得多的地磁暴就使得整個加拿大魁北克省的電網過載，導致了12小時的停電。今天，由三宅事件引起的地磁暴可能會造成更廣泛的危害，包括災難性的電網和衛星故障。
最近，美國加利福尼亞大學歐文分校的桑吉塔·阿卜杜·喬蒂（Sangeetha Abdu Jyothi）計算發現，如果今天發生一場卡林頓事件級別的太陽風暴，它甚至會導致「互聯網末日」。太陽風暴產生的高能粒子很可能會破壞國家之間的海底電纜，使全球互聯網中斷數周或數月。喬蒂估計，僅在美國，這樣的災難每天就會造成70億美元的損失。更強的太陽風暴，如三宅事件，可能造成的損失幾乎無法估量。
喬蒂還說：「我們可能比較容易從卡林頓事件級別的太陽風暴中恢複，因為存儲數據沒有被抹去。但對於比卡林頓事件強10甚至100倍的超級太陽風暴，它所造成破壞就無法估量了。我想沒有人模擬過這種情況。我猜測這將導致重大的數據丟失。我們可能會失去所有的電子記錄、銀行信息以及重要的健康信息，而且無法恢複。」
就目前看來，全球文明因三宅事件而進入黑暗時代的可能性似乎很小，但是一些科學家預測，在未來十年，卡林頓級事件發生的概率可能高達12%。我們可以通過監測太陽活動來預測這種級別的太陽風暴，以便在超級太陽風暴和隨之而來的地磁暴到來之前關閉衛星和電網。但是三宅事件可能更加難以防範。
與此同時，科學家繼續在古樹年輪和冰芯中尋找更多極端太陽風暴的證據。托馬斯說：「我們意識到，太陽可能比我們想象的更有能量、更加活躍。研究其他恒星上的超級耀斑的同時，太陽能否爆發類似的超級耀斑也值得討論。而從以上曆史數據來看，太陽的確有這種能力。」
