聚焦太陽風(fēng)暴和地磁暴

史晨

2024年3月23日，太陽爆發(fā)X1.1級耀斑還發(fā)生了日冕物質(zhì)拋射事件，隨后引發(fā)特大地磁暴使得我國多地見到清晰極光。那么，太陽活動跟地磁暴對人類有哪些影響？是如何產(chǎn)生的？怎樣防范呢？

太陽風(fēng)暴的產(chǎn)生

太陽是一顆主要由熾熱等離子體構(gòu)成的恒星?；谔柌煌瑓^(qū)域自轉(zhuǎn)速度的差異以及內(nèi)部復(fù)雜的物質(zhì)流動、膨脹收縮等因素，使得導(dǎo)電的等離子體產(chǎn)生了千變?nèi)f化的電磁場。太陽黑子就是太陽表面磁場特別強的區(qū)域，其磁場比地球兩極的地磁場強好幾千倍。眾所周知，太陽黑子越多太陽就越活躍。那些磁場極其復(fù)雜，不斷變化、交聯(lián)，在運動中如同橡皮筋一樣悄然儲存能量然后有規(guī)律地爆發(fā)釋放出來形成太陽爆發(fā)。這些磁場儲存的能量會以多種方式釋放，例如太陽耀斑爆發(fā)中以包括無線電、紅外、可見光、紫外線、X射線、伽馬射線等電磁波輻射的方式釋放，看起來局部閃耀亮度猛增并由此得名。還有猛烈拋射大量物質(zhì)到太空也就是日冕物質(zhì)拋射，以及加速質(zhì)子和電子等粒子發(fā)射出去產(chǎn)生高能帶電粒子輻射也就是“太陽粒子事件”。由于地球也有磁場和稠密大氣，太陽活動跟地球磁場和大氣的交互就會產(chǎn)生極光、地磁暴等現(xiàn)象。人類歷史上已知最嚴重的太陽風(fēng)暴是1860年的卡林頓事件，強大的太陽風(fēng)暴一度令夏威夷這樣的低緯度區(qū)域都能看見絢麗的極光，而電報線路則產(chǎn)生電火花甚至因熔化而癱瘓。人們長期觀測太陽黑子等現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)太陽活動有高峰也有低谷，平均約11年為一個周期。

需要注意的是太陽風(fēng)和太陽風(fēng)暴本身并不直接關(guān)聯(lián)，太陽風(fēng)是太陽外層被太陽電磁輻射壓力吹出去的稀薄帶電粒子流，構(gòu)成了行星際等離子體也算是太陽大氣的延伸，還附帶了太陽的磁場。因此，不可把太陽風(fēng)和太陽風(fēng)暴混為一談。

太陽風(fēng)暴對人類的影響

不同的太陽活動情況給人類造成的影響也不相同。盡管地球磁場和稠密大氣如同防護罩一樣阻擋了太陽活動的大部分危害，但是仍有一些影響無法完全避免。

▲太陽耀斑爆發(fā)

太陽耀斑爆發(fā)會影響地球電離層，干擾依靠電離層反射的短波通信。還會加熱地球高層大氣導(dǎo)致膨脹，從而明顯增加于海拔幾百千米高的近地軌道上飛行的航天器所受的稀薄大氣阻力，加速軌道衰減并縮短其使用壽命。耀斑爆發(fā)中脈沖式增長X射線、伽馬射線也會增加航天器所受的電離輻射劑量，對航天員健康以及儀器、光伏發(fā)電等造成一定影響。

▲日冕物質(zhì)拋射

日冕物質(zhì)拋射是太陽外層大氣（日冕）以每秒幾百千米拋射出的數(shù)以幾十億噸的熾熱等離子體物質(zhì)，這些物質(zhì)會在撞擊地球磁場的時候把蘊含的強大能量傳遞給地磁場造成擾動。這也會導(dǎo)致電離層異常嚴重干擾短波通信，還會引發(fā)感生電流干擾破壞供電、通信系統(tǒng)等，給人類的經(jīng)濟生產(chǎn)和社會安全帶來危害。地磁異?？赡苓€會影響人類的導(dǎo)航系統(tǒng)以及對地磁敏感、依賴地磁場導(dǎo)航的生物（會長途遷徙的部分鳥類、海洋哺乳類動物等），導(dǎo)致其迷航甚至沖灘擱淺。

▲太陽高能粒子事件

太陽高能粒子事件對于航天器危害更大，大量高能粒子對航天器的電離輻射危害遠大于太陽耀斑的紫外線、X射線、伽馬射線。其對生物、電子設(shè)備危害都非常大，甚至還能增加在高空飛行的飛機所受的輻射劑量。日冕物質(zhì)拋射和太陽粒子事件的主要區(qū)別是日冕物質(zhì)拋射是大量相對低能量的物質(zhì)，就像洪水；而太陽粒子事件則是體量相對少得多但能量也強得多的物質(zhì)，像是子彈掃射。太陽風(fēng)暴的帶電粒子還會影響航天器的電荷平衡，進而干擾電子設(shè)備。

SOHO 太陽觀測衛(wèi)星于2024年3月23日拍攝的日冕物質(zhì)拋射照片

SOHO 太陽觀測衛(wèi)星于2024年3月23日拍攝的太陽黑子照片

在地球上如何防范太陽風(fēng)暴

那如何降低太陽風(fēng)暴帶來的損失呢？對于通信而言，在太陽風(fēng)暴期間可以暫時用不受干擾的光纖通信、自由空間光通信等替代依賴電離層反射的短波通信、受航天器電荷失衡干擾的衛(wèi)星通信以及可能會被感生電流損害的電話網(wǎng)絡(luò)，以避免通信失聯(lián)帶來的損失。供電系統(tǒng)、計算機等則要注意預(yù)留足夠冗余以準備應(yīng)急搶修等，從而降低對經(jīng)濟生產(chǎn)的負面影響并盡早恢復(fù)生產(chǎn)。

▲無人航天器的防護

對于無人航天器，可以通過太陽風(fēng)暴預(yù)測，將其先加速提升到較高的軌道上或是及時使用其自身推進系統(tǒng)補充額外增加的大氣阻力來降低其所受的影響。對電子設(shè)備可以注意抗輻射加固，芯片使用更耐用的材料、預(yù)留更多冗余以及添加更好的屏蔽層。在太陽風(fēng)暴來襲前調(diào)整姿態(tài)，盡量把推進劑儲箱等對輻射不敏感的部分朝向太陽，以起到額外屏蔽作用，并調(diào)整光伏電池陣列角度降低投影面、關(guān)閉容易受影響的敏感設(shè)備。此外，使用聚光光伏發(fā)電也能降低危害，因為其有助于在光伏電池上加更厚的透明屏蔽層且不會大幅度增加質(zhì)量。

▲載人航天器的防護

對于載人航天器建議停止出艙活動，可讓航天員穿上防輻射裝具，并且躲進防護較好的艙室同時拿補給品等物資堆砌構(gòu)建額外的抗輻射掩體度過高能粒子事件期，有效降低所受輻射劑量。對于未來脫離地磁場保護的深空載人航天任務(wù)（例如載人火星探索任務(wù)），則應(yīng)當(dāng)在設(shè)計上充分考慮電離輻射產(chǎn)生的危害及影響。如果能源供應(yīng)充沛，還可用人工磁場、靜電場主動偏轉(zhuǎn)高能帶電粒子（目前研制中尚未使用）。此外，最好還能預(yù)留可兼做太陽風(fēng)暴輻射掩體的艙室。在任務(wù)規(guī)劃上也要注意避開太陽活動高峰期，軌跡也盡量避免接近太陽以進一步降低輻射。

人類對太陽的探測

要想降低太陽風(fēng)暴的危害必須更了解太陽。迄今為止，為人類研究太陽立下汗馬功勞的代表性航天任務(wù)有：1973年發(fā)射天空實驗室空間站，上面巨大的阿波羅太陽望遠鏡等儀器拍攝和獲取了大量地面無法獲得的太陽細節(jié)照片和科學(xué)數(shù)據(jù)，極大加深了人類對太陽活動的理解；1990年發(fā)射的尤利西斯號太陽探測器巧妙地利用木星引力協(xié)助突破黃道面飛躍太陽兩極區(qū)域，以前所未有的角度全方位了解太陽；1995年發(fā)射的太陽和日球?qū)犹煳呐_（SOHO）太陽觀測衛(wèi)星如同哨兵一樣在地球和太陽之間多波段凝視太陽；2018年發(fā)射的帕克號太陽探測器則是人類不畏高溫和強輻射勇敢靠近太陽的壯舉，通過碳-碳復(fù)合材料的防熱盾、姿態(tài)控制、冷卻系統(tǒng)等措施能在近日點抵御1377攝氏度的高溫，其離太陽最近時只有620萬千米，是人類第一個飛入日冕的航天器……

我國也在積極展開對太陽的探測任務(wù)，而今已經(jīng)發(fā)射了羲和號、夸父號等太陽觀測衛(wèi)星。未來，借助新科技人類航天有望抵近到離太陽僅35萬千米的驚人熾熱位置。隨著科學(xué)家們對太陽研究的不斷深入，人類未來將能更好地抵御太陽風(fēng)暴危害并更高效的利用太陽造福社會。

（鳴謝：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員劉勇對本文亦有貢獻）

編輯：黃靈? ? yeshzhwu@foxmail.com