超级太阳风暴来袭

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  “如今如果再出现1859年式的太阳风暴,就可能会毁掉全世界的信息、通信及供电系统。估计其代价可能高达两万亿美元。”
  
  我们的地球即将迎接一场猛烈的太阳风暴,它将损坏人造卫星导致地球卫星通讯中断、引起地面航班停飞和大范围地区断电,带来数千亿美元的经济损失,人类现在应当做好迎接一场全球性灾难的准备。最近一段时间,不少天文学家纷纷发出了这样的警告。
  由于受到太阳风暴发生时向地球释放大量放射线和带电粒子的影响,现在全球数十亿人正在使用的手机网络系统也会受到严重干扰。专家称,太阳风暴威力巨大,甚至能够切断电力供给数周或者数月时间,严重影响股市和全球经济。
  中国科学院国家天文台太阳磁场和太阳磁活动研究团组首席研究员张军这些年一直在持续关注着太阳活动的状况,他在接受记者采访时表示,天文学家的担忧并不是空穴来风,最近增强的太阳活动已经给人类敲响了警钟。
  2月15日,距地球1.5亿公里的太阳爆发的极大耀斑,打破了太阳长达3年之久的沉寂期,这也是近5年以来最强烈的一次太阳风暴。
  北京天文馆副馆长景海荣博士告诉记者,太阳风暴只是一个通俗的说法。他解释说,太阳一直处在不断的运行之中,它的整个运动过程都会连续向太阳系以很高的速度和不稳定的强度释放等离子体流,这种物质虽然与地球上的空气不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子—质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,因此现在一般将其称之为太阳风。而对生活在地球上的人而言,由于距离遥远,普通的太阳风并没有太大的危害。但是太阳活动进入活跃期,发生耀斑爆发、日冕物质抛射、日珥喷发等剧烈的太阳活动现象,其释放物质以及能量的幅度和普通的太阳风相比急剧上升,并且很快辐射到整个太阳系,因此现在很多人就形象地将其称为太阳风暴。
  景海荣说,太阳耀斑爆发是太阳活动的重要表现,也是影响最为巨大的太阳风暴之一。
  据了解,太阳耀斑爆发时,太阳表面局部区域会突然和大规模地进行能量释放,虽然其持续时间比较短暂,一般持续几分钟到几个小时,但是每次耀斑爆发所释放出的能量至少相当于投放在日本广岛原子弹的400亿倍,而一个大的耀斑可发射高达10的25次方焦耳的能量,相当于1000万座火山同时喷发的能量。
  张军告诉记者,此次耀斑爆发,北京的国家天文台怀柔观测点以及南京的紫金山天文台和昆明的云南天文台共3个观测点的研究人员利用天文和射电望远镜进行了及时跟踪观测。结果显示,2月15日10时左右,太阳爆发了一次X2.2级耀斑,并且这个结果也和世界其他一些发达国家的天文台得出的数据一致。
  “中国科学院的天文台从上个世纪50年代就开始了对太阳活动比较深入的观测,半个多世纪以来,取得了不少观测和研究成果,目前我们的观测和研究水平也走在世界的前列,并且有了世界先进的观测仪器。”张军在谈到中国本次太阳耀斑的观测结论时对记者表示。
  太阳耀斑通常可分成A、B、C、M、X五个级别,每个级别又可划分为10个等级。一般地球上观测到的弱耀斑是C级,M级是大耀斑,而X级则是极大耀斑。
  幸运的是,本次大耀斑的爆发并没有给人类带来严重的影响。虽然在本次X级太阳耀斑爆发当天,国内外不少观测和研究机构及研究人员纷纷发出预警,该次太阳耀斑的爆发将会给地球空间环境及地球造成重要影响,但是最后的结果并没有当初预想的那样严重。2月17日,太阳耀斑爆发的大量高能带电粒子开始到达地球周围,虽然它导致一些无线电通信出现故障,民航班机在驶离极地区域时也受到了轻度干扰,但是对空间飞行器、电网等领域并没有带来破坏性的影响。
  2月21日下午,北京、上海、湖南、河南、广东、四川、甘肃、内蒙古等全国许多省市自治区均出现大规模网络不稳定现象,很多网络用户发现网络不时出现掉线现象,MSN等网络即时通讯工具也时断时续,给不少人的工作带来了很大的困扰。但是中国科学院空间环境研究预报中心副主任、研究员刘四清表示,就目前了解到的情况看,这些状况的出现应该是网络自身的管理所致,与本次太阳耀斑的爆发并没有什么关系。
  华北电力大学电气与电子工程学院教授刘连光十多年来一直在研究太阳风暴对电网的影响。本次太阳耀斑的爆发,他也予以了及时的关注,他告诉记者,从目前了解到的情况来看,这次太阳耀斑的爆发对我国的电网系统并没有造成大的影响。
  对此刘连光解释说,虽然本次太阳耀斑很强,但是由于抛射到地球方面的离子强度不是很大,在地球上没有形成强烈的地磁暴,因此对电网没有造成大的影响和破坏。
  但是,对于未来太阳风暴活动对电网的威胁,依旧不能掉以轻心。
  中国科学院空间环境研究预报中心2月16日在其官方网站发布的报告显示,此次X级大耀斑的产生并非偶然。目前太阳进入第24活动周已有两年,从2009年到2010年,太阳活动水平明显上升,年无黑子日由260天降至51天;C级耀斑数目由28个上升到160个,M级耀斑数目由0个上升至21个。这些迹象都表明,太阳的第24活动周的活动已经开始活跃起来。该研究中心披露,在爆发这次X级耀斑之前,该活动区已产生多个C级耀斑和2个M级耀斑,例如在2月15日X2.2级耀斑爆发以前的2月14日凌晨,该活动区就爆发了一次M6.6级耀斑。
   “现在已经发生的种种迹象表明,太阳的这个活动周开始进入活跃期。”张军表示在未来较长的一段时间内,级别更大的超级太阳耀斑将会爆发。
  不过在最近一个月之内,大级别的太阳耀斑不会发生。中国气象局国家空间天气监测预警中心的研究人员认为,对于2月13日和15日发生的两次强耀斑事件,从整个太阳活动周的角度来看,只是相对普通的太阳爆发过程。目前的太阳活动水平在整个太阳活动周中仍属于中等偏下,太阳上复杂的黑子活动区比较少,该监测预警中心预计,3月10日之前,将不会有强耀斑事件发生。
  记者了解到,太阳活动周通常以太阳表面黑子数量的周期性变化来划分,其周期平均为11.2年。国际上规定,从1755年起算的黑子周期为第一周,然后顺序排列。1999年开始为第23周,2009年9月开始为第24周。
  景海荣告诉记者,在太阳活动周期中,一般表现为上升期、峰值期和下降期。开始的4年左右表现为上升期,黑子不断产生,数量越来越多,活动加剧,并达到极大值。黑子数量达到极大的一年,称为太阳活动峰年或太阳活动极大年。在随后的7年左右的时间里,黑子活动逐渐减弱,黑子数量也越来越少,黑子数极小的那一年,称为太阳活动谷年或太阳活动极小年。
  “目前的迹象是,24太阳活动周正在向太阳活动的峰年靠近。根据其他太阳周的情况推算,大概在2012年~2013年之间,更大级别的太阳活动将会出现。”景海荣说。
  国家空间天气监测预警中心预测,24周太阳活动峰年将出现在2013年下半年到2014年上半年。
  虽然从目前的迹象来看,24太阳活动周太阳爆发的高峰预计不会太强,但也不应掉以轻心。据了解,有记录以来最强的太阳风暴发生在一次较弱的太阳活动周期里:1859年的太阳风暴摧毁了全球绝大多数新安装的电报网。如今如果再出现1859年式的太阳风暴,就可能会毁掉全世界的信息、通信及供电系统。估计其代价可能高达两万亿美元。
  因此,美国、英国和瑞典负责研究应对太阳风暴政策的高级官员于2月中下旬之交在美国科学促进会于华盛顿召开的年会上敦促全世界更多地做好应对准备。
  刘连光对记者表示,在未来超级太阳风暴的威胁之中,电网系统首当其冲。因为在太阳运行11年的周期中,太阳风暴的发生几率大概在800~1000次左右,在这些太阳风暴中,能够影响电网的就占10%左右的比例,例如,国外监测的数据显示太阳风暴共发生了800多次,其中对电网有影响的就有79次。
  刘连光说,每次太阳耀斑爆发,喷射的物质能量和方向并不一样,如果某一次耀斑爆发时喷射的能量很大,但是并不朝向地球,就对地球没有太大的影响,但是如果它朝向地球,就会形成大级别的地磁暴,从而给地球上的人类等物种的生活带来危害。
  “地球有地磁场,在高级别耀斑爆发、日冕物质抛射等剧烈太阳活动发生以后,高能粒子流和射线流迅速向地球扩散,它们和地磁场相撞,就会使地球磁场突然发生变化,这就形成了地磁暴。”景海荣对记者解释说。
  刘连光表示,在空间天气预警上,对太阳风暴所产生影响的级别一般有耀斑的级别,另外一个则是地磁暴的级别,但是实际上对人类影响最大的是地磁暴的级别。
  “现在的一种科学分类共把地磁暴从1到9分为9级,数值越大,就表示地磁暴的强度越大,不过按照影响程度,1~5级被称之为小磁暴,6~7级被称之为中强磁暴,8~9级则被称之为强磁暴。一般而言,中强以上磁暴对电网都会产生不良影响。”刘连光说,虽然从严格意义上说,地磁暴都会对电网产生作用,但是级别太低不会对电网的运行造成破坏。
  记者从中国科学院空间环境研究预报中心了解到,2月15日的太阳耀斑爆发所产生的地磁暴级别达到5级,只能算作小磁暴,因此对电网并没有造成太大的影响。
  “对于未来,对更强的地磁暴做好防范则是十分重要的事情。”刘连光说,随着今年下半年太阳耀斑活动的持续增强,其所引起的地磁暴也会越来越强,并在明年或者后年达到高峰,因此需要引起关注。
  刘连光表示,地磁暴对我们国家电网的影响程度与电网的发展具有很大的关系,前几十年,中国的电网规模比较小,所产生的影响也比较小,但是近些年来,随着我国经济发展越来越快,电网的规模也越来越大,因此一旦发生超强的地磁暴,就会产生灾难性的后果。
  不过刘连光对记者透露,目前国家电网公司已经关注到太阳风暴产生的强烈地磁暴对国家电网的潜在威胁,并将相关研究课题列入了国家电网公司的“十二五”发展规划。
  除了电网,景海荣说,现在天上的卫星越来越多,手机等通讯设备的使用与上一个太阳周期相比也更加普遍,因此如果更强的太阳风暴袭击地球,所产生的危害将会比以前大得多。
  例如在超级太阳耀斑爆发时,在最初8分钟左右的时间内,太阳耀斑爆发时释放的大量X射线和紫外线辐射将以每小时150万~300万公里的速度冲向地球,干扰无线电信号,破坏通讯卫星的电子设备,致使电话网络、航空导航及计算机系统陷入瘫痪;在接下来的10~20分钟内,新一轮高速粒子流闯入太空,对地球的空间环境产生巨大冲击,卫星系统遭到全面破坏;15~30个小时后,增压等离子体带电粒子流将与地球磁场上演一场“天地大冲撞”。
  据了解, 1999~2009年的第23太阳活动周是最近50年来太阳活动最为剧烈的周期,例如2000年7月发生了有观测以来的最大一次太阳风暴事件,而2003年10月底的太阳风暴事件(太阳耀斑、质子事件、日冕物质抛射等)不仅刷新了太阳耀斑的最大值,也是对人类技术系统影响最为广泛和严重的一次。据不完全统计,该次事件中受到影响的航天器达到50多颗,地面的一些系统也受到了明显的干扰。
  空间坏境预报中心研究员刘四清告诉记者,现在太空中已经有更多的探测器在运行,部分宇航员也长期在太空中执行任务,在未来如果发生强烈的太阳风暴,他们的安全将会受到严重威胁,世界各国也正在想办法解决这个问题。
  “并且现在已经有了一些解决的办法,比如探测器在设计阶段时加强有关的防护,从而尽量规避其未来升空以后受到太阳风暴的破坏,对于现在已经运行的一些卫星和太空探测器,只要及时进行预报,然后采取关闭电源等一些相应的措施,就可以避免受到太阳风暴的破坏,而太空中的宇航员也可以根据预报预警采取一些防护手段。”刘四清说。
  景海荣则对记者表示,因为距离的关系,太阳风暴发生以后,物质流传递到地球也需要一定的时间,人们利用这个时间差完全有可能做好预防工作。
  另外在2月6日,人类对太阳的探测也开始翻开新的一页。当天,美国国家航空航天局(NASA)于2006年发射升空的两个太阳探测器同时抵达太阳左右两侧,形成180度同时观察太阳两个半球,这意味着人类将首次看到太阳360度的全貌。
  据悉,这两个名为STEREO-A与STEREO-B的探测器几乎一模一样,在预计8年的任务期内,它们将一直环绕着太阳运动,每天观测和拍摄太阳表面的各种活动并将获得的三维图像等资料发送回地球,这对人类进一步了解太阳、预测太阳风暴将会起到关键性的作用。
  然而,就目前人类的能力而言,准确预测太阳风暴和地磁暴的来临依旧是一个很大的难题。刘连光说,现在国内外多个研究机构都在研究预测太阳风暴和地磁暴,但是准确预测预报的难度依旧非常大。并且这种观点也得到了景海荣的认同,他说现在人类对太阳活动本身的预报还只是处于初级阶段。比如大量的太阳黑子出现以后,现在我们可以判断它可能会演化成为大的太阳耀斑,但是耀斑具体在什么时间爆发,现在还没有能力做到准确预报。
  “这就要求中国以后要持续加强空间天气的研究。”刘连光说,太阳上出现的耀斑和日面物质的抛射等剧烈活动,给地球磁层,电离层和中高层大气,卫星运行和安全,以及人类健康,带来严重影响和危害,现在科学界把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为空间天气。目前国内已经有中国气象局国家空间天气监测预警中心、中国科学院空间环境研究预报中心等数家空间天气研究机构每天都在对空间天气进行观测和预报。
  近些年,我国的航天事业、经济社会和国防技术发展迅速,很多技术领域对于空间天气的敏感性与日俱增。但是刘连光也表示,目前整个社会对于空间天气的了解依旧严重不足,这极大地制约了社会对空间天气灾害严重性的认识,也阻碍了对于空间天气灾害的有效预防、规避与缓解。
  “现在空间天气预报的准确性也还是一个问题。现在气象部门对于地球大气的天气基本上能够做一些比较准确的预报,并且有的还做得十分准确,但是地球距离太阳有1.5亿公里,虽然耀斑等剧烈太阳活动我们可以及时观测到,但是它们对地球究竟会产生什么影响,目前要做出准确预测非常困难。这也是目前世界很多科学家正在追求的目标。”刘连光告诉记者,以后如果能够对太阳风暴尤其是而后产生的地磁暴级别做出准确的预报,就可以及时采取一些有效措施从而避免太阳风暴造成灾难。
  刘连光以地磁暴对电网的危害举例说,地磁暴的危害程度和电网负荷大小具有明确的关系,如果电网已经满负荷运行,这时高强度的地磁暴来袭,产生大量新的感应电流,就会使变压器等电网设备负荷严重超标,从而导致设备温度迅速上升并来不急散热而被烧毁,这样就会造成电网受损或者破坏。但是如果提前知道高强度的地磁暴要来的级别,电网公司就可以提前控制电网的负荷,给电网留下一些负荷余量,这样在地磁暴到来时就可以避免电网遭到袭击。
  刘连光说,虽然超高强度的地磁暴袭击在电网留有负荷空间时依旧能够摧毁电网系统,但是这种情况发生的概率非常低,一般一个太阳活动周也难发生一次,人们并不需要过于担心。
   “只要我们的空间天气预报更加可靠,相关机构也增加对空间天气预报的重视,除了电网系统,卫星、通讯等其他一些方面也可以避免或者大幅减小太阳风暴的破坏。”刘连光说。
  张军也对记者表示,目前太阳风暴等空间天气预报最大的问题是长时间的预测,但是就目前人类的研究水平,几天之内的预测问题并不是很大,只要随时跟踪观测,就可以做出比较准确的预报,并能够及时预警,人类也来得及采取一些应对举措。
  
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