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历史上知名的强烈太阳风暴对地球的影响有多大?

    地球作为太阳系“家族”的一员,深受太阳活动的影响。我们的太阳是颗骚动不安的恒星。 当太阳特别活跃时,太阳爆发活动喷发出巨大的物质和能量,它们穿越行星际空间,到达地球附近,引起地球空间环境的剧烈扰动,进而影响人类和其它生物的生存和活动。

 1、太阳风暴爆发

在地球附近,来自太阳的电磁辐射和携带太阳磁场的太阳风与地球磁场和地球大气相互作用,形成了由磁层、电离层和高层大气组成的相对稳定又紧密耦合的复杂系统,这个系统通常称为地球空间环境。当太阳剧烈爆发时,增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云将对地球形成三轮攻击,打破地球空间环境相对稳定宁静的局面。

 ▲ 太阳爆发对地球的三轮攻击示意图

 第一轮攻击——增强的电磁辐射

    太阳电磁辐射的能量主要分布在可见光和近红外光谱区。当太阳耀斑爆发时,射电、紫外和X射线波段的电磁辐射的增强幅度可达几个数量级。这些增强的辐射以光速(大约8分钟)抵达地球空间,由于磁层无法拦截电磁辐射,它们就直接进入到电离层和高层大气,使电离层中的电子浓度急剧增大,引发电离层突然骚扰,可导致短波无线电信号衰落,甚至中断。

  第二轮攻击——高能带电粒子流

    高能带电粒子流速度比炮弹快万倍以上,(大约30分钟)到达地球空间后轰击磁层,并能突破地球磁场的重重防线,进入卫星轨道,对卫星和其它空间飞行器来说可能就是一场灾难;对于在空间执行任务的航天员来说,若遭遇到这样的高能粒子流,他们的生命安全可能会受到威胁;对于穿越极区的航空乘客来说,若穿越时恰逢高能粒子流的沉降,他们的辐照剂量会增大,健康将受影响。由于极区地磁场的磁力线是开放的,高能粒子流能够沿着磁力线沉降到极盖区上层大气中,引发极盖吸收事件,影响极区无线电通信。

 第三轮攻击——等离子体云

    等离子体云以日冕物质抛射的形式从太阳上喷发出来,将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中,引发磁层剧烈动荡。磁尾高密度的等离子体在电磁场的驱动下,加速冲向地球(大约18小时-数天),增强赤道环电流,引起全球范围剧烈的地磁扰动——地磁暴,等离子体也可能在从磁尾注入到地球过程中被加速,同时有辐射带的高能电子推波助澜,形成全球范围的高能电子增强现象——高能电子暴。等离子体还可以注入到极区和电离层中,引发电离层暴,同时轰击高层大气,形成绚烂多彩的极光。

 2、历史上的强太阳风暴

    太阳风暴的历史由来已久。在19世纪50年代以前,它留给人类主要是一幅幅多姿多彩的极光图像和一段段美丽动人的极光神话。在此之后,太阳风暴带给人类社会更多的是一道道伤痕,而且随着社会发展,其伤害所涉及的范围也越来越广,上可到太空中遨游的卫星,下可达海底中深埋的电缆。我们通过三次强太阳风暴事件来了解一下太阳风暴的威力。

No.1 超强太阳风暴-1859年卡林顿事件

    太阳风暴的等级可以从X射线耀斑、质子事件以及地磁暴的强度进行划分。在卡林顿事件发生期间,观测技术还不够成熟,空间环境扰动监测数据也不够全面。但事后人们从高能粒子数量、极光范围、地磁扰动和造成的危害这几个方面还是可以推断出卡林顿事件是历史最强太阳风暴。  

▲ 太阳爆发示意图

 事件强度

高能粒子数量:大于30兆电子伏的质子通量达到1.9×1010/厘米,是排名第四的1972年高能粒子事件的4倍。创下了迄今为止高能粒子事件最强记录

极光范围:1859年8月28日—9月4日磁暴期间,在北美、南美、欧洲、亚洲等多地看到极光。在古巴,人们居然能够在极光下读晨报,这些记录一直保持到现在。

地磁扰动:在太阳耀斑爆发的17.5小时后,Dst指数最大下降到-1760纳特。这次事件的地磁暴强度是1989年3月地磁暴的4倍。

▲ 1859年大磁暴期间,低纬地区观测到的红色极光

 (这张照片是20015月磁暴期间在加利福尼亚纳帕山谷拍到的)

▲ “卡林顿事件与十大空间灾害事件Dst对比图

 造成的危害

    卡林顿事件对电报业造成严重损害。意大利的托斯卡纳等广大地区的电报站机器都出现了闪火花现象,甚至电线也被熔化了。并且随着时间推移,波士顿至波特兰的电报线在没有电池的情况下,依靠地磁暴产生的电流持续工作长达两小时之久。

▲ 卡林顿事件对电报行业造成严重损害

 No.2 1989年3月太阳风暴-魁北克省大断电事件

        19893月,日面上出现了一个超级活动区,该活动区掀起了一场剧烈的太阳风暴,使地球上发生了一次史上有名的强磁暴,同时也给人类社会带来了一系列灾难。此次太阳风暴的危害主要表现为对加拿大魁北克省电力系统的严重破坏,因此,我们将这次太阳风暴称为“魁北克省大断电事件”。 

▲ 魁北克省大断电事件

事件强度

高能粒子通量:受太阳耀斑及抛射的等离子体云影响,发生2次强太阳质子事件。第一次大太阳质子事件持续5天,峰值通量为1500pfu,第二次大太阳质子事件持续2天,峰值通量为1250pfu。

地磁暴:这次地磁暴连续10个3小时Kp指数大于7,有2个3小时ap指数达到最大值400。根据1932年以来每天的Ap指数来排序,3月13日的Ap值排名高居第二,为246。这次地磁暴Dst指数值为-589纳特斯拉,其强度远大于排名第二的-429纳特斯拉。

电离层扰动:共产生100多次电离层突然骚扰。

大气层扰动:480千米高度处的大气密度增加了4倍。

极光:较低纬度地区如北半球的美国佛罗里达州、古巴等地都看到了极光。

地面台站所获得的各地磁指数

 造成的危害

电力系统:加拿大魁北克省电力系统遭到严重破坏。地球强磁暴导致加拿大魁北克省电网主要线路上的一个变压器因感应电流过大而烧毁,整个电网在不到90秒钟就全部瘫痪,致使该电网所管辖的区域陷入一片黑暗和寒冷。

卫星:在太阳爆发活动期间,地球高轨道高能粒子通量和低轨道大气密度的增加以及地球磁场剧烈变化导致许多卫星也遭受了不同程度的影响。如美国GOES-7卫星损失了一半太阳能电池,致使其寿命缩短了一半;3月17日,日本通讯卫星CS-3B异常,搭载在卫星上的备用命令电路损坏等等。

 ▲磁暴对电力系统影响(示意),白色表示灯火通明

No.3 2003年万圣节太阳风暴

        200310月底至11月初期间,太阳上发生了一系列强烈的爆发活动,造成了日地空间环境巨大扰动。受此影响,美国加州中部上空出现了罕见的极光;约半数卫星出现故障,日本先进地球观测卫星-2ADEOS-2)完全失效;全球范围内的通讯受到干扰,海事紧急呼叫系统瘫痪,珠峰探险队通讯中断;全球定位系统精度降低;瑞典5万人的电力供应中断……。如此强烈的太阳风暴在历史上非常罕见,因正值西方万圣节前后而被命名为“万圣节太阳风暴”。 

黑子群AR486爆发X28级巨耀斑

 事件强度

太阳耀斑:日面上共爆发了57个M级以上的X射线耀斑,包括11个X级的大耀斑;同时伴随有至少15个晕状日冕物质抛射及大量的小日冕物质抛射。其中X28级巨耀斑是自1976年以来观测到的最大耀斑。

高能粒子通量:太阳质子事件的峰值流量达到29500pfu,是GOES卫星1976年观测以来第4大值。

地磁暴:Ap指数达到204,是自1932年有记录以来的第9大极值。

万圣节太阳风暴期间的高能粒子环境与地磁环境

 造成的危害

通信卫星:致使46颗通信卫星报告了异常。

国际空间站:经历了反常摩擦阻力。

深空任务:安装在“奥德赛号”飞船上的火星环境辐射探测仪((MARIE),其目的原本是用于探测星辐射环境以确定宇航员在火星上所遭受到的辐射危险,在28日却由于粒子辐射发出温度红色警报而自动关闭,至今没有恢复。

地球轨道卫星:大约59%的空间科学任务受到了影响,其中24%的任务关闭的仪器采用可保护行为。

通信:全球短波通讯中断,超视距雷达、民航通讯出现故障;伊拉克战场美英联军通讯受到影响;珠穆朗玛峰探险队和一些电视广播通讯公司遭到了严重的高频射电短期干扰;我国北方短波通讯受到严重干扰,北京、满洲里无线电观测点短波信号一度中断。

导航:罗兰C导航定位系统报告了数次的干扰问题,GPS用户也报道了应用衰弱和中断。

航空:极区航线受到很大影响。

电力: 瑞典马尔默市南部的一个电力系统遭到破坏,有5万居民用电供应中断。

3、如何应对太阳风暴?

了解了历史上强太阳风暴带给人类社会的危害,我们应该清楚强太阳风暴可能给国家安全稳定与经济社会发展带来的危害,是当前必须高度重视的一种自然灾害现象。我们不能对强烈的太阳风暴及其影响掉以轻心。针对我国国家关键基础设施防护措施有限,空间资产大量增加的情况,如何应对极端空间天气的影响,既是各级政府的职责,也是空间科学领域和各社会团体的基本义务,必须做到未雨绸缪。

一是加强空间天气事件知识普及,提高对其潜在危害性的认识

    我国对空间天气事件观测、预报、产品制作与服务起步较晚,目前仍局限在部分业务领域,主要集中在对空间资产的影响及防护。我国关键基础设施规模大、防护措施不到位,大部分国家关键基础设施管理与运行系统对空间天气事件影响缺乏基本认识。因此,首先应大力推进空间天气事件及影响知识的普及,提高对极端空间天气事件影响危害的认识。需要加大有关太阳、日地空间、空间天气事件、事件影响等知识的科普宣传。同时,根据现代信息传播手段的特点,制作形式多样且容易被不同受众接受的信息产品。

二是大力构建空间环境研究与观测网,提高空间天气预报产品服务水平

    空间天气变化与太阳活动直接相关,既有一定的变化特征和规律,又有很大随机性与突发性。因此,空间天气事件预报和预警必须建立在持续太阳观测,以及长期历史积累资料分析研究基础上。首先,要建立以地面观测系统为主,地面与空间观测相结合的太阳观测网,进一步做好观测数据积累、处理与应用工作。其次,要加强基础研究,针对太阳活动变化的规律及对地球空间环境影响的特征,研究制定相应的标准体系。第三,不断提高空间天气预报产品制作与服务水平,理顺空间天气预报产品的服务渠道,增强对极端空间天气事件的预报预警能力。

三是积极参加国际空间环境领域合作,不断提升应对空间天气事件能力

    空间天气事件影响作为一种全球安全威胁,受到越来越多国家政府的重视,正在成为各国政府联合应对的全球挑战。长期以来,由国际机构联合开展的太阳观测、研究等活动,在空间环境研究、空间天气事件预测等方面发挥了积极作用。我国作为一个世界性大国,在空间研究开发利用等方面有能力和义务走在前列。我们应积极参加空间天气与空间环境观测研究领域国际合作,同时,也有责任牵头和倡导国际合作项目,共享国际研究成果,共同提升应对空间天气事件的能力。

你是否还记得,第24活动周的那一次绽放?

        第24太阳周,从一开始就备受争议。有专家预测他会比较强,有专家预测他会比较弱,有专家默不吱声,以至于国际预报组织最总给出两种结果,一高(120左右),一低(90左右)。如今,预测低的专家可以振臂高呼“您看看,您看看,还是我预测的准”。弹指一挥间,第24周将走完自己的整个11年历程,11年那,太可怕了,时间都去哪了?纵观其整个过程,可以用“低调”两个字来形容,他的峰值强度远低于所有活动周的平均水平。是低调了点,但这并妨碍我们有短暂的绽放,一次完全出乎意料的事件震撼了空间科学界的科学家们,这便是2015年3月17日的第24周最强磁暴事件。

1.事件回顾

        2015315日,之前曾经爆发过1个X级X射线耀斑和多个MX射线耀斑的AR2297活动区爆发了一个长时间的C9.7级耀斑,并伴随有全晕日冕物质抛射(CME图像显示这是一次普通的CME,是一次度一般的爆发过程。空间环境预报机构和数值模拟结果都显示:CME会在世界时17日下午到达地球,影响一般。

1  3月15日卫星观测到的CME

    然而,出乎所有科学家和预报员的意料,这次CME来的是如此之快如此凶,导致了第24太阳活动周以来最强地磁扰动,并引发了一系列空间环境效应。

2.第24太阳活动周最强磁暴

        317日凌晨3,裹挟着强大磁场的CME开始冲击地球,之后地磁Kp指数一路飘红,地球磁场发生剧烈扰动,有12个小时达到大地磁暴水平,Dst一路下降至-200nt317Ap指数达到117,成为第24太阳活动周以来最强地磁暴。

    对地磁暴反应最快也最明显的莫过于极光。317日北极地区极光活跃,最低纬度达到了美国北部地区,其中威斯康星、蒙大拿等州都看到了美丽的极光。

2   CME引起的强地磁扰动

3   地磁Dst指数变化

3.地球磁层顶穿越地球静止轨道

    受快速等离子体云的撞击,317日地球磁层受到严重压缩,地球磁层顶大小和形态发生了明显的变化。中科院空间环境预报中心利用自主开发的模式,预测到317日磁层顶日下点多次被压缩到地球静止轨道(距地心6.6个地球半径)以内,发生了多次磁层顶穿越地球静止轨道事件。

4 地球磁层顶(蓝色曲线)穿越地球静止轨道(红色虚线)

 5   空间环境预报中心模式预测地球磁层顶穿越地球静止轨道事件

    此次事件引发了多次地球磁层顶穿越地球静止轨道事件,其中正好被地球静止轨道上GOES13GOES15空间环境监测卫星所监测到。图6中显示了GOES13GOES15卫星观测到的磁场水平分量(Hp)。当它们穿越地球磁层顶时,观测到磁场水平分量(Hp)发生了反转。如果此时穿越磁层顶的地球静止轨道卫星是靠磁场来控制姿态的话,那么它将面临姿态控制异常的危险。

6   GOES13GOES15卫星观测到的Hp分量

4.电离层负暴

    在此次最强地磁暴期间,中国科学院空间环境监测网所属的9个电离层台站监测到电离层环境发生剧烈的变化。电离层的响应延迟于地磁暴,最强地磁暴开始于世界时3173时左右,电离层扰动变化则开始于17日晚,持续至18日,19日电离层逐渐恢复正常。

    漠河、北京、武汉和三亚站(纬度从高到低)监测到的电离层F2层临界频率(foF2)发生负暴响应,即临界频率下降至远低于背景平均水平。特别是在318日白天,漠河、北京的foF2最高值甚至低于平均夜间的最低值,这会对我国大部分地区的短波通讯造成严重影响。

7   电离层F2层临界频率监测数据

    福州、厦门、广州、南宁和海南富克站(均在低纬)监测到电离层总电子含量(TEC)发生负暴响应。3185站的TEC峰值(约40TECU)明显低于地磁暴前17日峰值(约100TECU)。TEC的剧烈变化,会影响导航定位的精度,但负暴影响较小。

8   电离层总电子含量变化

5.低轨卫星轨道下降加快

    地磁暴期间,受焦耳加热和高能粒子沉降等的影响,中高层大气受热膨胀,卫星轨道上大气密度增加,从而使得卫星运行阻力增大,轨道下降速度加快。

    受此次磁暴的影响,天宫一号和国际空间站的轨道下降速度加快,且国际空间站随即进行了抬轨操作。

9  天宫一号轨道变化情况

 10  国际空间站轨道变化情况

    平凡的一生,短暂的绽放,将留在历史的记忆里,值得!

 

太阳黑子划水,连累地球打摆子?

        1989年,强太阳风暴引发了历史上知名的加拿大魁北克大停电事件。自此开始,每当新的太阳活动周临近,美国NASA和NOAA都会牵头成立国际太阳活动预测专家组,对未来一个太阳活动周进行预测。2019年初,第25太阳活动周预测专家组正式成立,由来自美国、加拿大、英国、比利时、日本和中国等国家的十二名科学家组成,这也是我国科学家首次受邀参加会商。

图1   第25太阳活动周预测专家组

        2019年4月5日,在美国空间天气研讨会上,专家组发布了初步预报结果。各位专家研讨了国际上60余个第25太阳活动周的预测结果,分析了第25太阳活动周太阳黑子数峰值、极小值和它们的出现时间。得出结论如下:第25太阳活动周太阳活动水平基本与第24太阳活动周相当,低于平均活动周水平,但是不再延续自第22太阳活动周以来连续三个太阳活动周太阳活动水平持续下降的趋势。 

图2   第25太阳活动周初步预测结果

        这个结论使担心太阳休眠的科学家松了一口气。回眸上一次太阳活动最急速下降时期,是在 1645 年至 1715 年间,这段长达 70 年之久的时期称为“蒙德尔极小期(Maunder Minimum)”。在这期间,太阳黑子数量异常稀少,太阳活动水平不高。“蒙德尔极小期”恰好与历史上的“小冰河期(1550年至1770 年间)”中最冷的一段时间重合,当时地球气温大幅下降,英国伦敦泰晤士河甚至因此而结冰,全球性粮食减产,饥荒遍地。所以有学者认为,是太阳辐射大幅减少造成的地球气温下降。 

图3  太阳黑子400年变化

        与蒙德尔极小期相比,第21—24太阳活动周黑子数峰值,分别在188、200、151、120,第25太阳活动周太阳黑子数峰值预计在95—130之间,只是比大部分活动周的黑子数峰值区间140—220略小,但远远高于蒙德尔极小期(图3)。

        那么公众关注的问题来了:第25太阳活动周太阳活动水平虽然不再持续下降,但太阳黑子出现依旧不多,太阳还会休眠、地球还会再次驶入小冰河期吗?地球真的会变得冷飕飕吗?更有意思的是:刚进入盛夏的北半球几乎是瞬间又进入了烧烤模式,地球仿佛生病了,忽冷忽热,打起了摆子。这让人们懵圈了,地球怎么了?这也是太阳黑子惹的祸吗?且听我们详细剖析。

        首先,太阳黑子是太阳活动强弱的重要标识。黑子数越多,太阳活动就越强,太阳耀斑、日冕物质抛射等现象就越频繁,产生的太阳风暴就越多。太阳上的黑子数存在11年的周期性变化,在11年中,太阳黑子会先变多,再变少,最终回到和一开始相似的数量。国际上规定,以1755年作为第一个太阳活动周的开始。目前太阳正处于第24个活动周的末期。

图4  第1-24活动周太阳黑子数的变化

        在太阳活动高年,太阳黑子通常成群结队出现。如果将太阳比喻成“火海”,那么这些“纵横火海”的黑子群就是其中的“弄潮儿”,源于它们太阳才“生机勃勃”。但黑子有些“古灵精怪”,好“偷奸耍滑”。远的暂且不论,就说自第21个太阳活动周始,太阳黑子数量已经连续三个活动周呈缓慢下降趋势,太阳黑子似乎既不出工也不出力了。尤其是2008年12月份进入第24个太阳活动周以来,太阳黑子数不仅增加缓慢,大黑子群出现数量也少,即使在太阳活动高年(极大期)也不例外,截至2019年6月,第24太阳活动周明显较第23太阳活动周记录到的重要事件数量少,规模小。而且太阳表面‘无黑子’现象出现得愈来愈频繁,太阳黑子消失的时间越来越长,从几天增加至几星期,甚至几个月之久。套句网络热词,就是太阳黑子开始“划水”了,它不知为何耍起了“小性子”,而且一闹就是几个太阳活动周,还不知道什么时候偃旗息鼓。

        太阳黑子划水,引起科学家广泛关注。英国著名物理学家和宇宙学家霍金在2017年10月曾预言,20年内太阳就会进入休眠期,可能将是世界末日。巧合的是在第24太阳活动周内,地球的确出现了极寒天气。首先2012年2月一股强烈的寒流席卷了欧洲大部分地区,俄罗斯最低气温低于零下50℃,多个国家发生罕见雪灾。英国《每日邮报》因此宣称2012年的寒冬显示“小冰河期来临”。2019年1月美国遭遇极寒天气,此次破纪录的寒流为美国中西部以及东北部各州带来了大幅降温和降雪,在中西部明尼苏达州和南北达科塔州等部分地区气温降至零下45℃。一些地区的温度降到破纪录的零下51℃,美国总统特朗普28日在推特上调侃,称想要全球变暖回来,引起舆论一片哗然。由此引发一波关于全球到底是变暖了还是变冷了的热议。很有意思的是,争论尚在继续,2019年6月底,高温天气肆虐欧洲多国,28日,法国南部部分小镇温度超过45℃。这又使得全球变冷言论不攻自破。到底是谁在捣乱?人们似乎更糊涂了,到底太阳活动能否影响地球气候!地球到底是变冷了还是变暖了?

        研究表明,影响气候变化的因素有太阳辐射、大气环流、地理环境和人类活动。太阳辐射是大气中一切物理过程或现象的基本动力,是地球、大气唯一的能量源泉。太阳辐射会通过大气环流和当地的热量平衡对地球和气候产生影响,所以很早以来,人们就把地球上气候变化原因用太阳活动来解释。

 图5 过去2000年温度序列

        地球小冰河期持续时间约200年(图5),实际上在1100年全球气温就开始有所下降,这个时期维持了约300年,1450年前后气温又有个大幅下降,这个时期大约维持了近400年,其中1550年至1770 年间期间,欧洲冰河迅速前进,亚洲多雨,北美降雨也很多,北半球气候极寒(小冰河期),小冰河期年平均气温比历史上年平均气温低约0.5℃。1900年以后,气温又迅速升高,冰河很快退却。

        全球气候从变冷一直到回到正常温暖状况,用了几乎800年的时间,而这期间黑子早就开始活跃,太阳黑子数虽几多起伏[2] ,但总体来看,太阳黑子有一个缓慢增加的过程,尤其是1750年以后,太阳活动基本保持在一个比较稳定的较高水平。研究表明,一般在太阳活动旺盛期,大气纬向环流发展,环极气流收缩,气候比较干热。所以,1900年以后的地球明显增温,但这是一个上百年的漫长过程。再有1750年以来,人类开始进入工业革命时期,人类活动从那时起或许也已经成为导致气候变化的另一个因素。

        太阳风暴期间,太阳辐射会短时增强,但太阳活动高年的总辐射量比太阳活动低年仅高出0.1%。并且,即使是弱的太阳爆发活动周,也可能会发生强的太阳风暴。比如,第24太阳活动周黑子数只有120,但2012年仍然发生过超级太阳风暴,只不过该太阳风暴没有朝向地球,但扫过了STEREO双子星并被记录下来。由此可见,太阳的总辐射量若想增加必须要经过一个超长期累积过程。根据地质学资料证明,一个完全的辐射循环的总长度在十万年与一百万年之间,太阳是一个变星,其辐射强度的振幅范围约达40%,其周期约为105年。记住超长哦!我们几代人也看不到哦!所以目前气候变化一定还有其他的影响因素。 

图6  2012年7月23日STERREO B和A卫星观测到的太阳超强爆发

        世界气象组织早在2018年11月发布《气候状况声明》指出,全球变暖趋势仍在继续,有记录以来20个最热年份都出现在过去22年,其中最近4年占据排行榜前4位。至今这个结论没有进行补充和修改。

图7 温室效应加剧气候变暖

        大量观测以及研究表明,进入工业革命以来,地球的剧烈增温主要是二氧化碳排放引起的。大气中的二氧化碳对太阳短波辐射是透明的,对于地面长波辐射,特别是13–17μm波段,有强烈的吸收作用。总之,它既不削弱太阳辐射,又能使地面辐射热量保留在大气层中,具有高保温作用(气候的温室效应),这就使得地球二氧化碳排放的越多,气温越高。二氧化碳的累计排放很大程度上决定了21世纪现在及以后的气候都将变暖。地球发着高烧,而且这种高烧将严重扰乱气候系统自身的变化规律,各种极端天气事件如极寒、高温、暴雨洪灾天气会不断增多。这是自然界对人类的惩罚!

         林林总总说了这么多,其实归根结底的结论如下:

        一、未来一个太阳活动周,太阳黑子虽然还会继续划水,但它可能会恶作剧呦!人类不能放松警惕;

        二、地球再次驶入小冰河期的可能性微乎其微,大家不用着急买“加拿大鹅”啦!

        三、地球大概率地会继续打摆子,一会儿冷飕飕,一会儿热烘烘,人们要好好锻炼身体。

太阳扫射CME 大磁暴再临地球

        2019514日,地球再次爆发大地磁暴,地磁Kp指数出现1716Kp指数范围为09),是今年以来最强的地磁扰动事件。而上次发生大地磁暴,则要追溯到2018年中元节期间的826日,距离现在已经过去大半年了。

1  514日的大地磁暴

    事后分析认为,本次大地磁暴的“元凶”是太阳上的活动区AR2740。它在510日爆发了一个B2级耀斑,伴随有日冕物质抛射(CME)。当CME中的大量高速等离子体云经过日地之间3天多的奔波后,于13日晚到达地球附近,引起地球磁场的剧烈扰动,导致了这次地磁暴的发生。

2  510B2级耀斑伴随CME

    经过进一步分析,我们发现AR2740着实不简单,它的生命力实在太顽强了。这个活动区320日就在日面生成,当时编号为AR2736,于324日转出可视日面;随后于47日重新转入可视日面,编号为AR2738,于419日转出可视日面;直到53日再次转入可视日面,编号为AR2740,于515日逐渐消失于日面。

3  AR2736AR2738AR2740

    这个活动区在日面上存在了50多天,最大时达到了400个太阳面积单位。2018年一整年仅出现过一个面积超过200个太阳面积单位的活动区AR2699,那还是在遥远的20182月。由此可见,活动区AR2736/38/40确实是太阳活动低年难得一见的大块头。不过,这个活动区磁类型的演化实在称得上顽固,导致它的爆发活动也时大时小,先后产生了三波不同量级的耀斑。

4  AR2736AR2738AR2740产生的耀斑情况

    在AR2736时,磁类型达到过复杂的Beta-Gamma-Delta型,在3月下旬产生了十几个C级耀斑,最大为C5.6级。其中,320日的C4级耀斑伴随有明显的CME(图5),但并没有引起比较明显的地磁暴,仅仅带来了略微的地磁扰动(图6)。

5  320C4级耀斑伴随的CME

6  320CME引起的地磁扰动

    在AR2738时,磁类型仅为Beta型或Alpha型,只在4月下旬产生了一些B级耀斑,没有产生C级耀斑,也没有引发地磁扰动。

    在AR2740时,磁类型再达到略微复杂的Beta-Delta型,在5月上旬产生了十几个C级耀斑和多个B级耀斑,并像机关枪扫射一样,伴随向日冕外喷射了多次CME其中,53日的C1级、6日的C2级耀斑伴随的CME比较明显(图7、图8)。

       53日的CME抛射方向太偏,喷发的物质没有朝向地球,没有引起地磁暴。

7  53C1级耀斑伴随的CME

        56日的CME虽然也是一个偏晕CME,但仍有部分抛射物质到达了地球,在11日引起了小地磁暴。

8  56C2级耀斑伴随的CME

9  511日的小地磁暴

       到了510日,B2级耀斑再来一波CME,其中的高速太阳风最快速度达到550km/s左右,于513日晚上便迫不及待地来到地球附近(图10)。对地球磁场造成的结果是:514日,地磁Ap指数达到了36,标志极光活动水平的AE指数达到1800nT左右,地磁Dst指数达到-65nT左右。

 10  513-14日地球磁场扰动

11  514日的AEAL等指数

12  513-15日的Dst指数

    由上可见,虽然我们现在处于第24太阳活动周的太阳活动低年,太阳活动水平较低。但是,正如我们常常提到的太阳爆发活动的偶发性,近期太阳上的大活动区AR2736/38/40 比较活跃,持续爆发了一些小耀斑(C级和B级),并像是机关枪一样不断地向外扫射日冕物质(CME),主要成分是高速高温的等离子体。如果这些喷射物质能够到达地球附近,就会快速冲击地球周围的磁场,我们就得享受地磁暴盛宴了。当然,也是看极光的好时机。

13  514日在美国密歇根州拍到的极光

太阳质子事件的危害

太阳质子事件是太阳风暴带来的最具破坏性的空间天气现象之一。质子事件发生时,地球周围如同遭遇了一场的高能带电粒子“暴雨”的袭击,这些高能带电粒子就如同高速飞行的子弹一般,能够击穿几毫米厚的金属,具有很强的破坏性。大量高能粒子的袭击有可能毁坏地球轨道上的卫星,并威胁到太空中宇航员的生命安全。

● 威胁在轨航天器

太阳质子事件期间,航天器轨道上的高能带电粒子会突然增强,给在轨航天器的安全运行带来巨大的威胁。由于地磁场对高能带电粒子的屏蔽作用,不同轨道的航天器受到的影响其实大不相同,高轨道航天器,比如同步轨道卫星,由于远离地球,地磁场的屏蔽作用已十分微弱,质子事件对它的影响往往比较严重,低轨道航天器,比如神舟飞船轨道,地磁场将绝大多数的太阳爆发粒子都阻挡在外,质子事件的影响就要小很多。对低轨道航天器来说,轨道倾角越高,质子事件的影响越大,比如国际空间站的倾角为51.6°天宫二号轨道为42.4°,虽然它们的轨道高度相差不多,但质子事件对国际空间站的影响比与天宫二号相比更大一些。

 1  2015400km高度上的地磁垂直截止刚度(Tsy89-BobergDst=-300),

红色虚线之间为天宫二号轨道范围

● 威胁太空中的航天员

与在轨卫星一样,在轨航天员同样受到太阳质子事件的巨大威胁,太阳质子事件产生的高能粒子流与地面放射性物质发出的射线一样具有致命的放射性,它们能够穿透航天服和太空舱,引起航天员身体器官的物理损伤。

高能粒子主要是通过两种机制危害人体的细胞组织,一是直接造成生物活性大分子断裂、脱落,导致直接损伤;二是与身体中大量的水分子产生自由基,这些自由基进一步与生物分子发生化学反应,造成间接损伤。最终的人体辐射效应危害是非常复杂的,其严重程度主要与所受到的辐射剂量大小有关,人体受到高剂量的高能粒子辐射会引起皮肤、骨髓等器官的急性损伤(比如引起白内障),严重时甚至会危及生命,而在低剂量辐照情况下,高能粒子可能诱发细胞产生变异,变异细胞可以发生遗传变化或导致癌变的严重后果,因此在载人航天任务中,航天员的接受的辐射剂量是受到严格的控制的,而质子事件正是航天员在空间环境中面临的最危险因素。

2  辐射形成的自由基对DNA的破坏

3 辐射造成DNA的断裂

为了保障在轨航天员免受高能粒子辐射的严重影响,载人航天任务实施过程中采取了大量的辐射防护措施,包括对太阳质子事件进行监测预警,制定各种情况下飞行计划与操作预案,在航天器中建造专门的辐射避难装置等等,尽可能地使宇航员受到的辐射降低到安全程度。载人飞行对辐射危害防护的案例之一就是美国的阿波罗任务。阿波罗飞行任务从1967年底至1972年底结束,持续5年左右,其中有11次载人飞行,6次登月。阿波罗任务期处于太阳第20活动周的峰年和下降年,太阳风暴频发,基本上每年都多次发生太阳质子事件,而且在19728月发生了有记录以来的最大太阳质子事件。但NASA对太阳质子事件的防护极为成功,除19724月底“阿波罗”16号返回途中遭遇到小的太阳质子事件,其余飞行都成功避开了太阳质子事件。这要归功于NASA开展的空间环境监测预报及辐射防护工作,有力保障了整个载人登月任务顺利完成。

4  阿波罗任务期发生的太阳质子事件,蓝色线条表示质子事件发生的时间,蓝色线条的长度表示这次事件可能造成的辐射剂量,灰色线条表示各任务飞行在轨时间

● 对航空飞行的影响

太阳质子事件发生时,大量的高能质子如同暴雨般袭击地球,幸运的是,我们的地球有两个可靠的保护伞,强大的磁场和厚厚的大气,磁场会使飞向地球的带电粒子发生偏转而远离地球,能量越低,越容易被偏转,能够达到地球表面附近的大部分带电粒子也会被地球稠密的大气消耗殆尽,因此生活在地面上的人们几乎觉察不大太阳质子事件的发生。但是在飞机飞行的高度,太阳质子事件的影响还是不容忽视的,而那些被阻挡在大气层中的高能粒子其实并没有完全消失,它们与大气中的氮、氧原子,发生连续的核反应并产生大量的次级粒子,次级粒子主要分布在十几公里高度的大气中,因而对航空飞行造成影响,1989年的特大质子事件期间,协和式飞机在巴黎和华盛顿之间飞行时,受到了50毫雷姆/小时的辐射剂量,超过了警戒水平。另外,质子事件造成的极盖吸收事件也会影响极区的无线通讯,会对跨极区的飞行造成影响。

图5   201791010km高度上太阳质子事件引起的有效剂量μSv/h

 

 

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