太陽風暴，就在您身邊

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編者按

在科學家眼裡，太陽風暴就是太陽強烈爆發，會給地球帶來一系列影響。每次太陽風暴來臨，都要嚴陣以待，謹防產生的各種危害。

在公眾眼裡，太陽風暴仍然一個神秘模糊的事物，有點像洪水猛獸，又有點像背後的幽靈，不時地帶來一些我們意想不到的威脅。它看不懂、摸不著，那到底距離我們有多遠？

其實，太陽風暴，有距離我們很近的一面，它就在您的身邊。

作者：李志濤

中國科學院國家空間科學中心 空間環境研究預報室

迷路的信鴿

地磁暴會使信鴿迷失了方向，找不到回家的路。

眾所周知，信鴿具有天生的歸巢本能，能夠從遙遠而陌生的地方返回自己熟悉的老家。在古裝劇，你經常看到這樣的場景：一位威武的將軍/瀟洒的大俠/倜儻的公子，把一絹信綁在信鴿腿上，信鴿會意，騰空而起，將信送到指定的地方。

「看地圖」的信鴿

到了現代，雖然無需再送信，信鴿這種歸巢本能卻成了信鴿競翔運動的基礎。各地的信鴿協會常常組織信鴿歸巢比賽，看看誰家的鴿子更勝一籌。

目前，信鴿的這種本領從何而來依然是個謎。很多人認為信鴿是依靠太陽、月亮、視覺記憶等進行定向，大風、大雨及大霧天氣都會影響信鴿的飛翔和定向，信鴿協會都會選擇天氣晴朗、無風或微風的日子安排比賽。但是，即便小心地避開了不利天氣，有時仍會出現信鴿的歸巢率極低的情況。

表1 2015年10月8日比賽歸巢率

這就意味著還有別的因素影響著信鴿的導航。

根據科學家的相關研究，信鴿具有磁性感知能力，能夠感知地磁場微妙的變化，利用地磁場建立地磁坐標確定自己的位置和方向，最終找到一條合適的回家之路。

因此，在發生地磁暴時，地球磁場受到干擾，信鴿就會部分失去辨別方向的能力。就拿2015年10月8日的那次比賽為例，當時全國各地信鴿的歸巢率都普遍下降。如此大面積的丟鴿事件，基本可以排除當地天氣狀況、信鴿質量等原因。

而全球性的地磁暴成為這一現象最合理的解釋。

2015年10月8日的大地磁暴

目前，國外很多信鴿協會已將地磁活動狀況納入比賽安排的考慮，形成比較完整的信鴿飛行預報體系，在地磁Kp大於4或地磁Dst指數大於140時，不宜放飛信鴿。不過，國內信鴿協會對地磁擾動的認識還不夠深入，因為地磁暴而導致的丟鴿事件時有發生。

小貼士：除了信鴿，其它許多動物，如海豚和鯨魚等，也都擁有內部所謂的生物羅盤，可以幫助它們利用地磁場辨別方向。在2016年，曾有29頭抹香鯨在荷蘭、英國的外海灘擱淺死亡，科學家就曾懷疑是因為地磁暴造成地球磁場異常，使得抹香鯨游往錯誤方向。

抹香鯨擱淺

干擾民航飛行

極區航線由於距離短，並且可以避免逆風飛行，因此具有巨大的經濟效應。例如從芝加哥到香港，飛極區航線，只需14小時32分鐘，可承載316名乘客，額外還能裝2000多公斤的貨物。但若不是極區航線，則需15小時41分鐘，乘客要減少到246名，並且不能額外承載任何貨物。每次偏離極區的飛行預計要多耗費10萬美元的費用。

極區航線

不過，但是飛越極區的航線對空間天氣特別敏感。

在強太陽風暴期間，高能粒子進入極區上空，與大氣原子相互作用產生的次級粒子，會對飛機的電子設備和人員構成輻射威脅。

高緯度地區輻射量高

此外，由於飛機在飛行的全程都需要可靠的通信，但衛星通信不能覆蓋到82度以上的高緯地區，在這些區域，通信採用高頻短波通信。太陽風暴期間發生極蓋吸收事件時，地球極區電離層的電離增強，電子密度增大，電波的吸收增大，會引起中波廣播和短波通信信號的騷擾和中斷，持續時間約1小時至幾十個小時。

2006年12月6日的極蓋吸收事件

因此，在發生太陽風暴期間，極區航線為了使用衛星通信而不得不改變航線。例如2003年萬聖節太陽風暴時，全球短波通信受到干擾，穿越極區的許多航班必須繞道而飛，光多消耗的燃油就使得全球民航業損失了數百萬美元。

大面積停電

地磁暴會讓你家停電。奇不奇葩？意不意外？

在1989年3的月魁北克太陽風暴事件中，雖然美麗夢幻所謂極光閃耀北美大部，但對於加拿大魁北克地區的人們來說，真正的主角是大！停！電！

3月13日凌晨2點45分（當地時間），地磁暴正盛！加拿大魁北克省電網一個主變壓器因感應電流過大而率先跳閘，隨後多個主變壓器如多米諾骨牌般地接連跟進，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一片黑暗和寒冷，造成600萬居民停電長達9小時之久。

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魁北克大停電

同時，其它許多地區的電力系統也遭受到不同程度的破壞，如美國新澤西州Salem核電站的巨型變電器被燒毀、日本東京電力公司變壓器被燒毀、美國多個地方輸電線路跳閘、瑞典南部和中部6條130千伏輸電線路跳閘。

魁北克事件對北美電網的影響

停電的原理是啥？簡而言之，太陽風暴中的強地磁暴，導致長距離輸電線路中產生強力地磁感應電流（俗稱GIC），容易引起大型變壓器半飽和而縮短壽命，極端情況時直接燒毀、永久over，電力傳輸受到嚴重干擾，輸電系統崩潰，最終導致失去電力供應。

GIC產生原理

那麼，地磁暴對我國的電網有啥影響？

一般來說，地磁暴引起的GIC多產生於高緯度地區，而我國大部分位於中、低緯度地區，只有東北、西北部分地區所處緯度偏高，所以總體上磁暴期間GIC對我國電網的影響、危害有限。

但是，隨著咱們高速奔向社會主義現代化，用電越來越多，電網規模就得不斷的擴大。出現了大量的具有東—西走向分量的高壓、大容量輸電線路，GIC時不時地對這些線路產生一定的影響。例如：2005年5月和9月的大磁暴期間，江蘇上河變電站、武南變電站和廣東嶺澳核電廠等都檢測到了GIC。因此，即使以後到處是發電站，偶爾停電的情況以後還是有可能發生的。

美麗的極光

「極光」 ，這一名稱來自古羅馬神話中的女神「奧羅拉」（Aurora）, 代表旭日東升前的黎明。她的光芒居然僅次於她的「哥哥」太陽神和「姐姐」月亮女神！

aurora女神下凡

那麼，如此閃亮迷人的光輝是如何發出的呢？

當然跟太陽風暴有關啦。通俗點講，就是從太陽爆（fa）發（biao）噴發出來的大量等離子體物質到達地球南北極附近上空，地球高空的磁場變得雜亂無章，什麼質子啦、電子啦便加速跑起來，撞擊高層大氣中的如氮、氧、氖、氦等分子或原子，於是便發出了五顏六色、奇異壯觀的光芒。這種「鬼怪之光」，宛若五彩的霓虹燈一樣。

帶電粒子湧入在地球兩極

極光的產生

哪裡是看極光的好地方？

極光最經常出現的地方就是在大約在南北磁緯67度附近的兩個卵狀區域內（就叫極光卵），就是北極光區和南極光區，範圍比較狹窄。

平時極光卵

在平時，在極光區內,只要是晴朗無雲的夜裡,差不多每天都能看到極光活動。不過，形態顏色都比較單一，持續時間不長，亮度一般。

而在太陽風暴期間，會有海量的來自太陽的等離子體物質湧入到廣袤的地球南北極上空。極光卵的範圍迅速誇大，向地球低緯度方向伸展，最極端時甚至可延伸至熱帶地區。在許多不易看到極光的地區，也能有幸一睹極光的美妙。

太陽風暴時極光卵

並且，此時極光的顏色更加多樣，可達上百種。形態的多種多樣，有簡單的圓弧狀極光弧、飄帶狀的極光帶，還有如雲朵一般的極光片、射線狀的極光芒、面紗一樣的極光幔等等。極光可以亮到滿月時的月亮亮度，地面上物體的輪廓都能被照見，甚至會照出物體的清晰影子來。

再來點歷史。1859年8、9月間，歷史上最厲害的太陽風暴——卡林頓事件爆發時，北美洲、歐洲、亞洲和澳大利亞部分地區都觀測到了極光。其中，地處北緯23度（廣州就在這個緯度）的古巴哈瓦那的人們看到那晚天空如鮮血般，像被大火映紅一樣。

略有點滲人的紅色極光

在「中元節事件」中，9月7日，美國馬薩諸塞州的一位攝影愛好者分享了自己最新的極光靚照。

新鮮出爐的美國麻省極光（圖片來自網路）

小建議：去阿拉斯加、北加拿大、挪威北海岸都有很多的機會看到極光，阿拉斯加的費爾班有「北極光首都」的美稱。在發生非常厲害的太陽風暴時，我國最北端的漠河，如果運氣好的話也是可以看到極光的。

其它有趣的事

地質學上。地球磁場可以幫助地質學家確定地下岩石結構，勘探石油、天然氣和礦物儲備。當地磁暴發生時，地球表面下電流的變化能對他們的判斷起到幫助作用。因此，一些地質勘探員更願意在地磁暴期間工作，並根據地磁警報和預報來安排他們的勘探計劃。

氣候學上。黑子可能會引起地球氣候的變化。我國的著名科學家竺可楨也研究出來,凡是中國古代書上對黑子記載得多的世紀,也是中國範圍內特別寒冷的冬天出現得多的世紀。還有人統計了一些地區降雨量的變化情況,發現這種變化也是每過11年重複一遍,很可能也跟黑子數目的增減有關係。

地震學上。有研究地震的科學家發現，太陽黑子數目增多的時候，地球上的地震也多。地震次數的多少，也有大約11年左右的周期性。

植物學上。有人發現，樹木的生長情況也隨太陽活動的11年周期而變化，太陽黑子多的年份樹木生長得快，太陽黑子少的年份就生長得慢。

此外，近年來，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。不過，太陽風暴是否能影響人類健康，影響機理是什麼，都尚無科學結論。

還有許多跟太陽風暴有關的趣事等待著我們去發現。

作者：李志濤 中科院國家空間科學中心 空間環境研究預報室

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