「超級太陽風暴」要來了，你準備好了嗎?

　　來源：中科院之聲

　　1967年5月，美蘇冷戰時期，美國部署在北半球的三大彈道導彈預警系統的雷達全部中斷。美軍懷疑是蘇聯的軍事干擾，戰機準備起飛迎戰，戰爭迫在眉睫。

　　1972年8月，越南戰爭時期，美軍投放在越南海域的4000磁感應水雷全被引爆。

　　1989年3月，加拿大魁北克正值嚴冬，600萬人斷電，時間長達9小時，社會陷入混亂的邊緣。

　　這些像是科幻片里的情節。不，都是真實的，這是太陽風暴帶給現代文明的災難。誰都無法置之度外。

　　什麼是太陽風暴？

　　1860年7月18日，一個叫 Gugliemo Tempel 的義大利人在西班牙觀測日全食時手繪了一幅圖像。圖中除了常見的結構外，右下角有一團狀物。當時並沒有引起世人注意。

　左：1860年7月18日Gugliemo Tempel手繪的日全食圖像；右：1973年6月10日美國天空實驗室（Skylab）的日冕儀觀測。

　　一百多年後，即上個世紀70年代，美國的OSO-7衛星和天空實驗室（Skylab）利用日冕儀觀測到了類似結構。日冕儀的工作原理與日全食類似，都是遮擋太陽，因此太陽的外層稀薄大氣，稱為日冕，可以被觀測到。由此才知道1860年 Gugliemo Tempel 手繪的團狀物並非天馬行空的神來之筆。世人開始驚訝，一向認為寧靜的太陽大氣竟有如此大尺度的爆發現象，科學上稱為日冕物質拋射（CME）。

　　隨後大量的衛星觀測，特別是1995年發射的SOHO衛星，表明日冕物質拋射是一種常見的現象。在太陽活動極小期每天約1次，太陽活動極大期每天平均5次。它源於日冕磁場的不穩定性，短時間內大量的磁化物質被拋射至行星際空間。被拋出的物質可達數十億噸，速度可高達每秒3000多公里！

SOHO衛星觀測到的日冕物質拋射

　　隨著空間探測和研究的不斷深入，逐漸認識到太陽風暴對人類生存的空間環境有著巨大影響。它能產生持久的高能粒子事件，危及宇航員的生命和太空科技設施。撞擊地球時，除產生絢麗的極光外，也會引起強烈的地磁暴、電離層擾動和地面感應電流，使衛星、導航、無線電通訊和地面電網癱瘓。隨著人類對科技依賴的日益加深，太陽風暴對現代科技社會的影響也日益加重。

　　什麼是超級太陽風暴？

　　對於什麼是超級太陽風暴，並無精確的定義，一般指低概率、高影響的事件。經常被用作參考的是1859年的卡林頓事件，英國天文學家卡林頓根據自家後院望遠鏡的觀測，手繪了爆發時太陽上耀斑和黑子的形態。

英國天文學家卡林頓手繪的1859年9月1日的太陽黑子和耀斑。

　　當日午夜後的4點（約爆發後的18個小時）發生了一次大的地磁暴，伴隨的極光甚至在低緯的加勒比海地區也能看到。那時人類尚未進入現代科技社會，所以影響較小。即使如此，歐美的電報系統失靈，電報線的放電甚至引起了火災。

　　倘若發生在當代，會有多嚴重的後果呢？據美國空間研究委員會粗略估計，若一個超級事件撞到地球，對現代科技社會造成的損失可高達數萬億美元，社會恢復的周期為4-10年。最近一個研究則給出更為「具體的」經濟學價值上的估計：若美國66%的人口斷電，美國的損失將為420億美元……每天！

　　然而，太陽風暴的影響並非僅僅在經濟層面。

　　1967年5月23日的一次大爆發，導致了上述美國彈道導彈預警系統雷達的癱瘓。緊急關頭，美軍空間天氣預報員指出是太陽爆發中斷了雷達和無線電通訊，由此避免了一場可能發生的核戰爭。

1967年5月23日大爆發來自太陽中上部的明亮區域，幾乎把人類帶入核戰爭邊緣。

　　1972年8月7日的另一次爆發產生了歷史上最快的太陽風暴，以極短的時間（14.6小時）到達地球，引爆了美軍投放的4000磁感應水雷。如果核武器同樣由磁感應引發，將會產生什麼樣的後果？結果不得而知，但此後美軍投入大量精力來避免其武器遭受太陽風暴影響。

1972年8月7日爆發來自海馬狀區域，引爆了美軍4000磁感應水雷。

　　「狼」真的要來了，而且比你想像的還要多！

　　科學家估計未來10年發生超級太陽風暴的概率是10%左右。然而，2012年7月23日和2017年7月23日的兩次超級太陽風暴事件給了我們重要啟示，雖然它們並沒有撞到地球。2012年爆發產生的太陽風擾動與1859年的卡林頓事件類似，而2017年爆發則堪比1989年3月份事件（該事件造成了自太空時代以來最嚴重的地磁暴，導致了加拿大魁北克的大停電）。

2012年7月23日爆發（左）與2017年7月23日爆發（右）。

　　這兩次事件發生在同一個很弱的太陽活動周，而且後一次爆發接近太陽活動極小期，表明超級太陽風暴可發生於任何太陽活動周、活動周的任何時間段。這兩次事件的比較揭示超級太陽風暴可能是「完美風暴」，這與認為超級太陽風暴來自超級活動區或超級耀斑的傳統觀念截然不同。

　　「完美風暴」這一辭彙來自美國傳記作家 Sebastian Junger 1997年發表的一部小說（Perfect Storm），如今已成為固定辭彙。它並不是指風暴是完美的，而是指多種條件匯聚在一起使得事件強度大大增加。歷史上一些超級太陽風暴，如上文的1859年卡林頓事件、1972年8月事件、1989年3月事件等，都符合「完美風暴」特徵。如果超級事件是「完美風暴」，意味著超級太陽風暴比我們想像的還要多！ 

　　戰略應對的緊迫性

　　越來越多的決策者意識到了太陽風暴研究的重要性和對現代科技社會的危害。2015年10月美國白宮科技政策辦公室發布了「國家空間天氣戰略」和「國家空間天氣行動計劃」，意味著空間天氣被提升至美國國家戰略層面。2016年10月美國更發布了總統令，責成各大部委聯合應對空間天氣事件。

　　我們也已提出日地空間天氣監測計劃——「羲和計劃」。羲和為中國神話中的太陽神之母，以羲和形象代表項目的科學使命，既表達了項目對研究太陽活動起源、太陽系內生命起源與演化的重要意義，又體現了對整個日地空間進行監測和保護人類生存環境的重要作用。

　　衛星位於得天獨厚的日地系統第五拉格朗日（L5）點。這是穩定的引力平衡點，處於地球軌道上，離開日地連線60度，適合觀測朝向地球傳播的太陽風暴，並可覆蓋太陽和整個日地空間。這些特點對於空間天氣研究和預報極其重要。

「羲和計劃」日地空間天氣探測概念示意圖。猶如茫茫夜海中的燈塔與前哨，「羲和計劃」將時刻凝視著整個日地空間，這一太陽風暴的侵襲之路。

　　在L5點探測的基礎上，未來可以在其共軛點，L4，日地系統的另一穩定的引力平衡點，放置一顆同樣配置的衛星。也可以作為國際合作的設想，聯合其他國家把L4、L5兩點探測同時做起來。L4–L5兩點的同時觀測，將形成對太陽和日地空間的三角測量，更加精確的觀測和跟蹤太陽風暴。

日地空間天氣監測網概念示意圖。在L4和L5點同時各放置一顆衛星，形成對太陽和日地空間的三角測量。

　　一旦太陽風暴爆發，科學家可以運用L4–L5點三角測量，實時跟蹤太陽風暴在整個日地空間的傳播，實時確定傳播方向、距離和速度，從而實時的作出空間天氣預報。就像地面天氣中跟蹤颶風一樣。

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