太陽咳一咳，地球抖三抖
以下文章來源于中國國家天文 ，作者張宇宗、周桂萍
2022年2月，“星鏈”發(fā)射遭遇地球磁暴，損失40多顆衛(wèi)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(hào)從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心向低地球軌道發(fā)射了49顆“星鏈”衛(wèi)星（starlink）。然而，由于受到太陽風(fēng)暴的影響，地球磁層發(fā)生了磁暴，大氣密度增加，隨之大氣阻力劇增50%，導(dǎo)致這些“星鏈”衛(wèi)星未能提升至更安全的軌道，有多達(dá)40顆衛(wèi)星掉入大氣層墜毀。這是迄今為止單一地磁事件造成衛(wèi)星集體損失數(shù)量最多的一次。那么這次事件的幕后推手——太陽風(fēng)暴，究竟是何方神圣？太陽風(fēng)暴有這么大的威力，為什么地球上的人們似乎也沒有直觀地感受到？它對(duì)地球和人類還有哪些影響呢？我們能否預(yù)測太陽風(fēng)暴，進(jìn)而避免這些災(zāi)害呢？下面我們就逐一講解這些問題。
北宋文學(xué)家范仲淹在《岳陽樓記》中生動(dòng)描述了洞庭湖上和天氣相關(guān)的兩種自然現(xiàn)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(fēng)晴空之景；另一種則是“陰風(fēng)怒號(hào)，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(yuǎn)——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(jīng)開始頻繁踏“足”的日地空間，會(huì)發(fā)現(xiàn)這里也有類似的天氣：平靜時(shí)“春和景明”，主要為相對(duì)平穩(wěn)的太陽輻射和太陽風(fēng)的作用；暴虐時(shí)也是“檣傾楫摧”，而施暴者正是太陽風(fēng)暴。
太陽活動(dòng)爆發(fā)和太陽風(fēng)會(huì)向外輸送大量帶電粒子，地球的磁場可以保護(hù)地球免受這些粒子的沖擊侵害。來源／NASA
太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射過程中釋放的物質(zhì)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云。由于傳播速度的差異，它們到達(dá)地球空間的時(shí)間并不同步。首先，電磁輻射以光速（每秒30萬千米）到達(dá)地球空間（日地距離約1.5億千米），時(shí)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；而后，等離子體云（每秒幾百至幾千千米）則需要大約1到4天的時(shí)間才能到達(dá)地球，人們形象地稱這是太陽風(fēng)暴對(duì)地的三輪“攻擊”。
太陽風(fēng)暴發(fā)生后，首當(dāng)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(huì)突然增強(qiáng)，特別是極紫外和X射線波段，其輻射呈現(xiàn)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(shí)間內(nèi)劇烈的擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)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(dòng)現(xiàn)象。依賴短波通信的技術(shù)設(shè)備，如衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度隨之下降，嚴(yán)重時(shí)甚至造成導(dǎo)航接收機(jī)失效，無法提供導(dǎo)航信息；衛(wèi)星通信的信噪比也會(huì)下降，誤碼率上升，通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)可能造成衛(wèi)星通信鏈路中斷。
然后，高能帶電粒子到達(dá)地球附近，導(dǎo)致極區(qū)電離層電子密度增加。由于能量極高，會(huì)直接轟擊航天器，穿透衛(wèi)星外殼，引起衛(wèi)星平臺(tái)和攜帶的有效載荷的微電子器件邏輯錯(cuò)誤，造成程序混亂，嚴(yán)重時(shí)可能造成器件內(nèi)部短路、擊穿；也可能引起材料性能衰退，成像系統(tǒng)噪聲增加，太陽能電池效率降低。同時(shí)，高能帶電粒子還可能對(duì)宇航員造成輻射傷害。
2013年5月3日拍攝到的一次日珥爆發(fā)。版權(quán)／NASA／SDO
幸運(yùn)的是，地球上的人類由于受到地球磁層和稠密大氣層的雙重保護(hù)，這三輪攻擊基本上被化解，這也是為什么不借助儀器設(shè)備，我們很難直觀感受到太陽風(fēng)暴的來臨。當(dāng)然，近年來，也有一些統(tǒng)計(jì)研究指出，太陽風(fēng)暴與一些傳染病、心血管疾病的發(fā)病率存在一定的相關(guān)性。但太陽風(fēng)暴對(duì)人類健康會(huì)產(chǎn)生多大影響，影響機(jī)理是什么，都尚無科學(xué)結(jié)論?？傮w而言，受太陽風(fēng)暴影響的大致有以下10大領(lǐng)域：航天器安全、航天與航空活動(dòng)安全、通訊、導(dǎo)航與定位、國防、地質(zhì)勘探、長距離管網(wǎng)系統(tǒng)、氣象業(yè)務(wù)與研究、生物以及其他一些電磁相關(guān)領(lǐng)域。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，讓人類及其技術(shù)設(shè)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(fēng)暴帶來的威脅也日益嚴(yán)重。了解太陽風(fēng)暴發(fā)生的特點(diǎn)和規(guī)律，并對(duì)其作出預(yù)測，是人類平安進(jìn)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(dòng)區(qū)，做了和地球大小的對(duì)比圖。攝影／劉寧
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