空间天气与人类活动

陈耀、李波、夏利东

山东省光学天文与日地空间环境重点实验室

万物生长靠太阳。这句众所周知的俗语反映了太阳对生存于地球上的一切生命的深刻影响。表面上看，太阳总是显得气定神闲，平静而平淡。然而，太阳有着不为众人熟知的“狂野”一面，这就是发生于太阳上空的“爆炸”现象。科学家已经发现了两类主要的太阳“爆炸”过程，一是早在1859年由两位英国天文家卡林顿和霍奇森同时通过高倍望远镜发现的耀斑现象，代表着太阳表面附近局部区域瞬间增亮，主要特征正是“闪耀”一词的字面解释；一是上世纪70年代初才通过空间卫星发现的日冕物质抛射现象，代表着很大范围的太阳大气被向外抛出的过程。它们是太阳系最剧烈的“爆炸”过程。一次寻常的“爆炸”可释放出相当于几十亿至百亿颗原子弹爆炸所释放的能量，并可向空间抛入超过百亿吨的带磁带电而且高速运动的所谓等离子体物质。

我们知道，地球本身是个巨大的磁体，所产生的磁场可延伸至地球大气层外十几个甚至上百个地球半径的区域，形成了地球的磁层。另外，在离地面大约几十公里的高空上方，稀薄的大气在太阳紫外线的照射下发生电离转成为等离子体物态，并形成了电离层。在电离层和上方的磁层区域中都充满着等离子体物质。关于电离层，大家需要知道它的存在和具体的状态是我们目前无线电广播、通讯、导航等等高科技手段得以实现的前提。关于等离子体，大家需要知道，这种所谓“物质第四态”是由自由运动的电子和离子组成，因此它最重要的一个特点就是可以跟电场和磁场发生强烈作用。

可想而知，当这些令人瞠目的太阳“爆炸”所扔出的“天外来客”—-即带磁带电而且高速运动的等离子体物质不幸撞到地球磁层时，会激起多大的惊涛骇浪：撞击后，这些天外物质必须紧急刹车或者急速绕行，此时请想象高速列车撞击大树；但这还远不是故事和想象的全部,当南极磁场碰到北极磁场、当正电场碰到负电场(请想象过电的感觉和将正负电极直接连接时发生的现象)，当子弹一样的高速粒子设法进入地球磁场并高歌猛进、顺势而下的时候，我们不需要任何科学家看似高深的解说便可理解磁层-电离层与“天外来客”们之间纠缠的剧烈程度!事实上，在地球的中高纬区域，例如欧洲的挪威、美国的阿拉斯加等，常可看到的璀璨壮丽、斑斓眩目的极光正是这一撞击之张扬个性的表现。

说到这里，我们就可以写出科学家们给空间天气下的一个学究味十足的定义了：空间天气指的是“太阳上和太阳风、磁层、电离层和热层中可影响天基和地基技术系统的正常运行和可靠性，危及人类健康和生命的条件或状态”(引自美国在1995年制定的《国家空间天气战略计划》)。请阅读下面的文字，可以让你更加深入地理解这一定义的内涵。

对太阳来说，坦率地讲，耀斑或日冕物质抛射造成的能量损失看起来其实有些微不足道。然而，对于人类和人类引以为豪的高科技手段而言，这些巨大的带磁带电的高能粒子团和增强的辐射可能就是极端危险的冷血杀手了。它们可能造成电离层状态的剧烈变化，从而影响短波通讯和导航：对典型的手持GPS设备，定位误差可能高达几十米。如果你靠GPS定位来驾驶飞机，偏离跑道几十米会意味着什么？靠高频无线电来做机地通讯的商业航班可能长时间无法与地面联络，如果你是乘客，会不会心急如焚？

不仅如此，当空间天气事件中产生的高能电子击中卫星或其它飞行器时，有的可长驱直入，影响飞行器内部精密的集成电路，严重的会产生所谓的单粒子“反转”事件。这里，“反转”并非指卫星倾翻，而是改变了电路器件中以二进制(0,1)表示的逻辑状态,使其由0变到1或者由1变为0即为“反转”。千万不要小看这点变化，这可能意味着控制系统指令错误，可使仪器功能紊乱，严重时可造成卫星的灾难性事故。有资料表明，单粒子反转事件是造成星载计算机出错或失灵的最常见问题。

空间天气事件还可以引起卫星运行轨道上气体密度和温度等参数的变化，这对于低地球轨道卫星（如绝大多数的地球观测卫星，特别值得一提的是为Google Earth提供图片的那些）而言犹如致命的慢性疾病---摩擦力的增加会逐渐降低卫星的轨道，从而使其极为遗憾地、但又难以逆转地提前陨落。遭遇超猛事件时，地面技术系统也同样不能幸免：大磁暴所伴随的剧烈变化的地球磁场会在由人造石油管道和输电线路与海水等构成的巨大环路中感生出很强的电流，有时会强到足以毁坏我们的输变电系统或造成输油管道的腐蚀和泄露！

令人更为不安甚至恐惧的是，这类超猛事件并非危言耸听。1989年3月，突然爆发的太阳耀斑和日冕物质抛射袭击地球，立马造成数百颗卫星轨道降低（其幅度甚至达到30公里）、更多的轮船或飞机无法导航、美国的核电站变压器烧毁、加拿大魁北克省电网遭受沉重打击、致使百万居民停电数小时。你肯定可以想象大面积停电后所产生的连带效应！虽然听起来有些夸张，但绝非没有可能：极端的空间天气灾害可使人类的文明发生倒退！

看过美国大片《2012》的读者一定还记得，这部电影就是描述太阳活动异常引起毁灭性的地球灾害。显然这是一部过于离奇的科幻电影，我们不必因此惊慌失措。然而，人类对于太阳活动以及空间天气的理解是随着科技的日益发展而逐步加深的，人类也越来越关注除了上面描述的对人类技术系统的影响之外，空间天气还有没有其它方面的影响。特别是，空间天气事件会不会影响地球的生态？会不会影响人类自身的生命和健康？与人们通常知道的暴雨、龙卷风等极端天气现象对人类生活的影响相比，空间天气可能没有那么直接。目前已有研究显示，空间灾害性天气发生时产生的强粒子辐射可以破坏人类的“保护伞”---臭氧层的分布，还可能对在地球南北极上空飞行的航班人员造成辐射损伤。另外，长周期的空间天气变化（亦被称为空间气候）可能引起地球全球变暖或者变冷。客观地讲，空间天气对人类还有哪些影响，仍然是科学家还没有解决的问题。

尽管极端空间天气灾害发生的几率远没有大家熟知的极端天气那么多。但是一旦发生，对人类越来越依赖的高技术系统的破坏是巨大的。我们常说，空间天气科学是一门“与时俱进”的学科正是这个道理，这也是为什么空间天气研究越来越引起全世界关注的一个主要原因。有关研究的目的正是为了正确预报并减免空间天气灾害对人类社会与生活的影响。我们衷心希望各位读者，特别是青少年同学们能够主动了解、积极探索，并勇于加入到钻研这一重要课题的行列。

这张精美的图片显示出空间天气过程中最具震撼视觉效果的三幅图景：发生于太阳大气中的日冕物质抛射现象(左：由太阳和日球观测台即SOHO卫星拍摄)、由太空中拍摄到的地球极光现象(中：由地球空间科学计划-地极卫星即Polar卫星拍摄)以及摄影者在美国Alaska州拍摄到的极光照片(右)。极光是地球上唯一肉眼可见的空间天气学现象。(取自SOHO卫星网站：http://sohowww.nascom.nasa.gov/gallery/images)