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太阳咳一咳,地球抖三抖

时间:2022-04-24 点击:135

核心提示:2022年2月,“星链”发射遭遇地球磁暴,损失40多颗卫星(视频截图)。来源/SpaceX来源:中国国家天文2022年2月3日,美国埃隆·马斯克(ElonMusk)的太空探索公司(SpaceX)通过猎鹰9号从佛...

2022年2月,“星链”发射遭遇地球磁暴,损失40多颗卫星(视频截图)。来源/SpaceX

来源: 中国国家天文

2022年2月3日,美国埃隆·马斯克(Elon Musk)的太空探索公司(SpaceX)通过猎鹰9号从佛罗里达州肯尼迪航天中心向低地球轨道发射了49颗“星链”卫星(starlink)。然而,由于受到太阳风暴的影响,地球磁层发生了磁暴,大气密度增加,随之大气阻力剧增50%,导致这些“星链”卫星未能提升至更安全的轨道,有多达40颗卫星掉入大气层坠毁。这是迄今为止单一地磁事件造成卫星集体损失数量最多的一次。那么这次事件的幕后推手——太阳风暴,究竟是何方神圣?太阳风暴有这么大的威力,为什么地球上的人们似乎也没有直观地感受到?它对地球和人类还有哪些影响呢?我们能否预测太阳风暴,进而避免这些灾害呢?下面我们就逐一讲解这些问题。

北宋文学家范仲淹在《岳阳楼记》中生动描述了洞庭湖上和天气相关的两种自然现象,一种是“春和景明,波澜不惊,上下天光,一碧万顷”令人心旷神怡的微风晴空之景;另一种则是“阴风怒号,浊浪排空”“商旅不行,樯倾楫摧”使人心惊胆颤的暴雨阴霾之象。如果我们将视野放到更远——地球的中高层大气、电离层、磁层乃至行星际空间,这些人类已经开始频繁踏“足”的日地空间,会发现这里也有类似的天气:平静时“春和景明”,主要为相对平稳的太阳辐射和太阳风的作用;暴虐时也是“樯倾楫摧”,而施暴者正是太阳风暴。

所谓太阳风暴,是指太阳爆发活动在日地空间产生的响应现象。太阳爆发活动是太阳大气中由于电磁相互作用发生的持续时间短、规模大的能量释放现象,如太阳耀斑、日冕物质抛射等。随着太阳爆发活动喷射而来的磁化等离子体云,携带了大量的能量以及磁场,会扰动地球磁层、电离层、中高层大气所在的日地空间环境,从而形成太阳风暴。太阳爆发活动和日地空间的响应均与电磁场相互作用密不可分,因此太阳风暴本质上是一种电磁风暴。当剧烈的太阳风暴来临时,日地空间强烈的电磁扰动将威胁位于此空域内的现代技术设施和宇航员的生命安全。

太阳活动爆发和太阳风会向外输送大量带电粒子,地球的磁场可以保护地球免受这些粒子的冲击侵害。来源/NASA

太阳耀斑和日冕物质抛射过程中释放的物质和能量主要有三种形式:电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云。由于传播速度的差异,它们到达地球空间的时间并不同步。首先,电磁辐射以光速(每秒30万千米)到达地球空间(日地距离约1.5亿千米),时间仅约需8分钟;其次,高能带电粒子流(亚光速)约需十几到几十分钟;而后,等离子体云(每秒几百至几千千米)则需要大约1到4天的时间才能到达地球,人们形象地称这是太阳风暴对地的三轮“攻击”。

太阳风暴发生后,首当其冲的是电磁辐射。在耀斑期间,所有波段的的电磁辐射都会突然增强,特别是极紫外和X射线波段,其辐射呈现成百上千倍的增加。从而使得地球高层大气中的核外电子获得足够多的能量而逃脱原子核的束缚,形成自由电子,也就是增加了电离层的电离度,引起了电离层在短时间内剧烈的扰动,进而导致短波衰减,短波平移,长波相位异常等一些列的电磁层扰动现象。依赖短波通信的技术设备,如卫星导航定位系统精度随之下降,严重时甚至造成导航接收机失效,无法提供导航信息;卫星通信的信噪比也会下降,误码率上升,通信质量下降,严重时可能造成卫星通信链路中断。

然后,高能带电粒子到达地球附近,导致极区电离层电子密度增加。由于能量极高,会直接轰击航天器,穿透卫星外壳,引起卫星平台和携带的有效载荷的微电子器件逻辑错误,造成程序混乱,严重时可能造成器件内部短路、击穿;也可能引起材料性能衰退,成像系统噪声增加,太阳能电池效率降低。同时,高能带电粒子还可能对宇航员造成辐射伤害。

最后,太阳爆发活动在对地球的第三轮攻击过程中携带的磁化等离子体云到达地球附近后,会和地球磁场发生相互作用,从而将能量注入到磁层、电离层和地球高层大气。地球磁场的剧烈变化在地球表面诱生地磁感应电流,这种附加电流会使电网中的变压器受损或者烧毁,造成停电事故。由于太阳风暴的袭击,灯火通明的城市90秒内将变成一片漆黑,这就是所谓的“90秒灾难”。此外,地磁感应电流还可能对长距离管线系统产生腐蚀,造成泄漏,影响石油、缆等管线系统的正常运行。

2013年5月3日拍摄到的一次日珥爆发。版权/NASA/SDO

幸运的是,地球上的人类由于受到地球磁层和稠密大气层的双重保护,这三轮攻击基本上被化解,这也是为什么不借助仪器设备,我们很难直观感受到太阳风暴的来临。当然,近年来,也有一些统计研究指出,太阳风暴与一些传染病、心血管疾病的发病率存在一定的相关性。但太阳风暴对人类健康会产生多大影响,影响机理是什么,都尚无科学结论。总体而言,受太阳风暴影响的大致有以下10大领域:航天器安全、航天与航空活动安全、通讯、导航与定位、国防、地质勘探、长距离管网系统、气象业务与研究、生物以及其他一些电磁相关领域。

现代科学技术的发展,让人类及其技术设备一方面可以离开地球,触摸星空,探索宇宙的奥妙;另一方面太阳风暴带来的威胁也日益严重。了解太阳风暴发生的特点和规律,并对其作出预测,是人类平安进出地球,走向外太空的第一重保障。

4月20日,跟踪拍摄太阳大黑子群AR2993-2995活动区,做了和地球大小的对比图。摄影/刘宁

作者简介 / 

张宇宗,国家天文台副研究员,主要研究方向为太阳大气磁爆发活动和波的传播。

周桂萍,国家天文台研究员,主要研究方向为日冕物质抛射的源区结构、初发和传播。

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