完美太阳风暴

　　 世界时2012年7月23日，太阳右侧爆发了一次超大日冕物质抛射事件（CME），以大约3000km/s的速度向外喷射出一群巨型的太阳物质，并在太空中迅速散开传播。当时，美国国家航空航天局NASA发射的一对双子星STEREO中的Ahead卫星正好处于传播方向，有幸捕捉到了此次的创历史记录的大尺度事件，此次事件也是STEREO卫星自发射以来其所观测到的速度最快的日冕物质抛射事件。

监测太阳风暴的“功臣”

　　STEREO双子星，即日地关系天文台，发射于2006年，分别位于地球绕太阳公转的轨道前方和后方，可在不同的角度对太阳进行立体观测，其目的之一是研究日冕物质抛射从日冕向行星际空间传播的演化过程，图1是当时的STEREO双子星和日地位置关系示意图。令人高兴的是，此次的大事件由于未朝向地球，对我们并没有产生危害，而且STEREO卫星正好能提供完整观测数据，提供了一次研究太阳爆发活动如何影响太阳周围空间环境的绝佳机会。

图1 STEREO双子星与日地位置关系示意

为何称为完美太阳风暴

　　中科院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的刘颖研究员同美国、奥地利、芬兰和法国的科学家合作，对该次事件进行了分析。研究认为，此次爆发与两次相隔15分钟左右的日冕物质抛射的相互作用有关，它们在行星际空间的相互作用导致了在1个AU处（约1.5亿公里）观测到超级太阳风磁场。而之所以能达到创记录的太阳风速度和磁场强度，则是由于四天前发生的一次日冕物质抛射为此次事件行星际传播创造了条件，即为其传播道路扫清了障碍，堪称一次完美太阳风暴。该项研究成果发表在《自然》（Nature）子刊 －《自然通讯》上，并被Nature选为亮点介绍，同时被NASA、Nature、Science和其它美欧媒体广泛报道。
　　研究组之所以将这次事件称为完美太阳风暴，旨在表达多种空间物理条件汇聚在一起，为此次超级太阳风暴的形成创造了完美条件。该项研究将帮助科学家进一步理解超级太阳风暴的形成原因，以及对空间环境的可能影响。该研究认为，并不仅仅是太阳活动区的初始条件可以影响超级太阳风暴的产生，其行星际空间的演化即日冕物质抛射在行星际空间的相互作用，对超级太阳风暴的形成也至关重要。

事件的“罪魁祸首”

　　事实上，这次超大日冕物质抛射事件是由黑子群AR1520爆发引起的，下面我们简单回顾一下这个黑子群在可见日面上的演变和爆发情况。该黑子群在2012年7月7-18日处于可见日面，在这期间一直维持复杂的磁类型结构，活跃并多次爆发。其中主要有两次影响日地空间环境的爆发活动，分别是7月12日的X1.4级大X射线耀斑和7月18日的M1.7级中等X射线耀斑，均引起地球同步轨道高能质子通量迅速上升，达到质子事件水平。其中的X1.4级耀斑伴随有朝向地球的日冕物质抛射，15日到达地球，引发长时间的强地磁扰动，共有33小时达到磁暴水平；而M1.7级耀斑伴随的日面物质抛射虽然不朝向地球，没有引起地磁扰动，但其朝向STEREO Ahead卫星，如前所述，正是这次的日冕物质抛射，在行星际空间为这次完美太阳风暴的传播“扫清”了道路。

图2 太阳光球磁场和光球黑子成像图

图3 黑子群AR1520爆发后的空间环境监测数据

相关监测数据

　　黑子群AR1520在7月19日转入背面，以每天约13°的太阳经度转动速度随着太阳自转，虽然之前的爆发活动已经释放了一部分能量，但是其内部的磁场在不断发展，能量还在聚集并酝酿着更大的爆发。终于，在沉寂了4天后，也就是世界时7月23日凌晨，爆发了此次可以载入历史的太阳风暴！黑子群爆发时向外喷发出超高速太阳风，20小时左右后到达离太阳约1.5亿公里之外的Ahead卫星，此处观测到的太阳风速度仍高达2300 km/s，为地球日常所经历的太阳风速度的好几倍；总磁场强度高达110nT，为平常太阳风磁场强度的十几倍。图4为此次事件中SOHO卫星和STEREO双子星所观测到的日冕物质抛射成像数据（按时间顺序从左到右）。图5是STEREO卫星获得的太阳风参数数据，其中的Dst地磁扰动指数是D.N.Baker等假设此次超级太阳风暴袭击地球，模拟获得最恶劣条件下的变化情况。

图4 2012年7月23日凌晨的日冕物质抛射成像数据

图5 STEREO卫星太阳风参数数据（由D. N. Baker等提供）

心有余悸

　　自人类进入太空时代以来，也曾发生过类似的强太阳风暴，但强度都弱于这次的超强太阳风暴。如1989年被命名为“魁北克大断电事件”的太阳风暴中，当喷射的日冕物质抛射到达地球时，引起地磁剧烈扰动，Kp指数连续30个小时大于7，其中有12小时达到9（Kp指数最大为9），Dst指数最大为-472nT，达到特大地磁暴水平。特大地磁暴严重破坏了一些高纬地区的电力系统，加拿大魁北克省的电网在不到90秒就全部瘫痪，直接经济损失达5亿美元，美国新泽西州Salem核电站的巨型变电器烧毁，日本东京电力公司变压器烧毁，瑞典6条130千伏输电线路跳闸等。强地磁扰动还对在轨卫星带来了灾害，低轨道大气密度显著增加，在轨卫星受到的大气阻力大大加强，导致卫星轨道高度加速衰变，几千个军事跟踪目标需要重新定位；有7颗地球同步卫星为维持姿态正常，在两天内所消耗的燃料超过其正常运行一年所需燃料；美国DMSP卫星和3颗NOAA气象卫星因无法释放磁场异常变化所积累的力矩而影响姿态。
　　此次2012超强太阳风暴中的行星际总磁场强度高达110nT，如果提前几天爆发，即地球位于STEREO的Ahead卫星的位置，则该风暴袭击地球时会严重扰乱地球磁层，势必会产生自太空时代以来最严重的地磁暴。D. N. Baker等假设此次超级太阳风暴袭击地球，模拟得到最恶劣情况下的地磁Dst指数高达-1180nT（图5），是魁北克大断电事件中的2-3倍；此外，20多年来，随着科学技术的发展，人类的太空活动更加频繁，发射了更多的卫星，人类对电力、导航、通讯的依赖越来越强，如此剧烈的地磁扰动，给地球技术系统带来的破坏程度将会是魁北克大断电事件的数十至上百倍。根据美国空间研究委员会的估计，像这样的一个超级太阳风暴对现代科技社会造成的损失将高达数万亿美元，社会恢复的周期为4-10年。所以不得不说，地球和人类幸运的躲过了这次完美太阳风暴的袭击！