2022年04月25日 17:00
【科學快訊】
2022年2月，「星鏈」發射遭遇地球磁暴，損失40多顆衛星（視頻截圖）。來源/SpaceX
2022年2月3日，美國埃隆·馬斯克（Elon Musk）的太空探索公司（SpaceX）通過獵鷹9號從佛羅裏達州肯尼迪航天中心向低地球軌道發射了49顆「星鏈」衛星（starlink）。然而，由於受到太陽風暴的影響，地球磁層發生了磁暴，大氣密度增加，隨之大氣阻力劇增50%，導致這些「星鏈」衛星未能提升至更安全的軌道，有多達40顆衛星掉入大氣層墜毀。這是迄今為止單一地磁事件造成衛星集體損失數量最多的一次。那麼這次事件的幕後推手——太陽風暴，究竟是何方神聖？太陽風暴有這麼大的威力，為什麼地球上的人們似乎也沒有直觀地感受到？它對地球和人類還有哪些影響呢？我們能否預測太陽風暴，進而避免這些災害呢？下面我們就逐一講解這些問題。
Part.1
太陽風暴，究竟是何方神聖？
北宋文學家範仲淹在《嶽陽樓記》中生動描述了洞庭湖上和天氣相關的兩種自然現象，一種是「春和景明，波瀾不驚，上下天光，一碧萬頃」令人心曠神怡的微風晴空之景；另一種則是「陰風怒號，濁浪排空」「商旅不行，檣傾楫摧」使人心驚膽顫的暴雨陰霾之象。如果我們將視野放到更遠——地球的中高層大氣、電離層、磁層乃至行星際空間，這些人類已經開始頻繁踏「足」的日地空間，會發現這裏也有類似的天氣：平靜時「春和景明」，主要為相對平穩的太陽輻射和太陽風的作用；暴虐時也是「檣傾楫摧」，而施暴者正是太陽風暴。
所謂太陽風暴，是指太陽爆發活動在日地空間產生的響應現象。太陽爆發活動是太陽大氣中由於電磁相互作用發生的持續時間短、規模大的能量釋放現象，如太陽耀斑、日冕物質拋射等。隨著太陽爆發活動噴射而來的磁化等離子體雲，攜帶了大量的能量以及磁場，會擾動地球磁層、電離層、中高層大氣所在的日地空間環境，從而形成太陽風暴。太陽爆發活動和日地空間的響應均與電磁場相互作用密不可分，因此太陽風暴本質上是一種電磁風暴。當劇烈的太陽風暴來臨時，日地空間強烈的電磁擾動將威脅位於此空域內的現代技術設施和宇航員的生命安全。
太陽活動爆發和太陽風會向外輸送大量帶電粒子，地球的磁場可以保護地球免受這些粒子的沖擊侵害。來源/NASA
Part.2
太陽風暴的威力
太陽耀斑和日冕物質拋射過程中釋放的物質和能量主要有三種形式：電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體雲。由於傳播速度的差異，它們到達地球空間的時間並不同步。首先，電磁輻射以光速（每秒30萬千米）到達地球空間（日地距離約1.5億千米），時間僅約需8分鐘；其次，高能帶電粒子流（亞光速）約需十幾到幾十分鐘；而後，等離子體雲（每秒幾百至幾千千米）則需要大約1到4天的時間才能到達地球，人們形象地稱這是太陽風暴對地的三輪「攻擊」。
太陽風暴發生後，首當其沖的是電磁輻射。在耀斑期間，所有波段的的電磁輻射都會突然增強，特別是極紫外和X射線波段，其輻射呈現成百上千倍的增加。從而使得地球高層大氣中的核外電子獲得足夠多的能量而逃脫原子核的束縛，形成自由電子，也就是增加了電離層的電離度，引起了電離層在短時間內劇烈的擾動，進而導致短波衰減，短波平移，長波相位異常等一些列的電磁層擾動現象。依賴短波通信的技術設備，如衛星導航定位系統精度隨之下降，嚴重時甚至造成導航接收機失效，無法提供導航信息；衛星通信的信噪比也會下降，誤碼率上升，通信質量下降，嚴重時可能造成衛星通信鏈路中斷。
然後，高能帶電粒子到達地球附近，導致極區電離層電子密度增加。由於能量極高，會直接轟擊航天器，穿透衛星外殼，引起衛星平台和攜帶的有效載荷的微電子器件邏輯錯誤，造成程序混亂，嚴重時可能造成器件內部短路、擊穿；也可能引起材料性能衰退，成像系統噪聲增加，太陽能電池效率降低。同時，高能帶電粒子還可能對宇航員造成輻射傷害。
最後，太陽爆發活動在對地球的第三輪攻擊過程中攜帶的磁化等離子體雲到達地球附近後，會和地球磁場發生相互作用，從而將能量注入到磁層、電離層和地球高層大氣。地球磁場的劇烈變化在地球表面誘生地磁感應電流，這種附加電流會使電網中的變壓器受損或者燒毀，造成停電事故。由於太陽風暴的襲擊，燈火通明的城市90秒內將變成一片漆黑，這就是所謂的「90秒災難」。此外，地磁感應電流還可能對長距離管線系統產生腐蝕，造成泄漏，影響石油、纜等管線系統的正常運行。
幸運的是，地球上的人類由於受到地球磁層和稠密大氣層的雙重保護，這三輪攻擊基本上被化解，這也是為什麼不借助儀器設備，我們很難直觀感受到太陽風暴的來臨。當然，近年來，也有一些統計研究指出，太陽風暴與一些傳染病、心血管疾病的發病率存在一定的相關性。但太陽風暴對人類健康會產生多大影響，影響機理是什麼，都尚無科學結論。總體而言，受太陽風暴影響的大致有以下10大領域：航天器安全、航天與航空活動安全、通訊、導航與定位、國防、地質勘探、長距離管網系統、氣象業務與研究、生物以及其他一些電磁相關領域。
Part.3
結語
現代科學技術的發展，讓人類及其技術設備一方面可以離開地球，觸摸星空，探索宇宙的奧妙；另一方面太陽風暴帶來的威脅也日益嚴重。了解太陽風暴發生的特點和規律，並對其作出預測，是人類平安進出地球，走向外太空的第一重保障。
4月20日，跟蹤拍攝太陽大黑子群AR2993-2995活動區，做了和地球大小的對比圖。攝影/劉寧
來源：中國國家天文
作者：張宇宗 周桂萍
