太陽風(fēng)暴

英國新科學(xué)網(wǎng)站曾勾畫了一幅令人心驚的場面：美國東海岸上空布滿了一道五彩斑斕的光幕。正當(dāng)人們陶醉于極光美幻影像的時候，他們并沒有發(fā)現(xiàn)燈泡突然變得忽明忽暗。90秒鐘之后，東部發(fā)生了大規(guī)模停電事故。與此同時，歐洲北部地區(qū)也陷入一片黑暗。醫(yī)院、學(xué)校關(guān)閉，通訊早已中斷，經(jīng)濟遭受沉重打擊。而這一切，都源于距地球1.5億公里之遙的太陽表面。（圖1）

雖然這種場面目前還僅存在于人們的想象當(dāng)中，卻絕非不可能發(fā)生。2009年1月美國國家科學(xué)院發(fā)布了一份有關(guān)2012年太陽風(fēng)暴的特別報告，科學(xué)家們提出警告：如果150年前發(fā)生過的超強太陽風(fēng)暴于2012年9月再度吹襲地球，它將可能引發(fā)一場地球災(zāi)害，而人類根本無力應(yīng)對。

魏奉思（空間天氣科學(xué)家 中科院院士）：美國國家科學(xué)院的這份報告是有其科學(xué)依據(jù)的。大家都知道，太陽的活動11年為一個周期，依照次序編號，現(xiàn)在已進到第24個太陽活動周期。每個活動周期都有一個峰年。美國科學(xué)家在 2008年預(yù)測，2012年將是太陽活動非常頻繁的峰年，可能有更多的更猛烈的太陽風(fēng)暴發(fā)生。但準確地預(yù)報它吹襲地球的時間和強度，目前人類沒有這個能力。

巧合的是，在瑪雅預(yù)言中，2012年的12月21日就是人類大毀滅的日子，與美國國家科學(xué)院的報告相比，只有三個月之差。太陽神在瑪雅人的宗教體系中，代表著戰(zhàn)爭和權(quán)力，這似乎是種不祥的隱喻。在好萊塢影片《2012》里，太陽風(fēng)暴作為災(zāi)難的開端展示給觀眾，吸引了公眾的目光。

魏奉思：太陽風(fēng)暴就是太陽上一種巨大能量和物質(zhì)突然釋放的現(xiàn)象。太陽風(fēng)暴吹到地球，就會把地球磁層打開，巨大能量輸入到地球空間，引起地球磁層、電離層和中高層大氣的急劇變化，從而對航天、通訊、導(dǎo)航帶來損失，被稱為空間災(zāi)害性天氣事件。（圖2）

為了應(yīng)對太陽風(fēng)暴帶來的災(zāi)害性天氣事件，中科院院士魏奉思和他的同事一道，創(chuàng)建了國家大科學(xué)工程《子午工程》和積極推進《國際空間天氣子午圈計劃》。

魏奉思：子午工程主要是監(jiān)測當(dāng)太陽風(fēng)暴吹到地球時，地球空間環(huán)境發(fā)生怎樣的響應(yīng)變化，為建立空間天氣模型和預(yù)報地球空間天氣效應(yīng)提供科學(xué)數(shù)據(jù)。子午工程是一個在地面上按照一定的經(jīng)度、緯度設(shè)計、建設(shè)的地基空間環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。通過北京東經(jīng)120°子午鏈，再加上從上海經(jīng)武漢到拉薩的北緯30°鏈，構(gòu)成一個空間環(huán)境監(jiān)測鏈網(wǎng)。通過這樣排開的一連串的地基觀測站，監(jiān)測地球磁層、電離層、中高大氣層等空間環(huán)境變化。

隨著人類文明的進步，空間技術(shù)正在被廣泛使用。通訊、電視、廣播、信用卡系統(tǒng)、金融交易、網(wǎng)絡(luò)與信息包裹著我們每一個人。這些無處不在而脆弱的技術(shù)系統(tǒng)將在超強太陽風(fēng)暴面前不堪一擊。超強太陽風(fēng)暴甚至將襲擊現(xiàn)代社會的基礎(chǔ)：電力系統(tǒng)。使我們一覺醒來，發(fā)現(xiàn)自己置身于中世紀年代。

即便是在太陽活動不那么頻繁的時候，空間天氣災(zāi)害也常有發(fā)生，太陽的壞脾氣幾乎每一年都使我們飽受磨難與考驗。

魏奉思：太陽風(fēng)暴是一種突發(fā)性、隨機性的現(xiàn)象。比較集中地出現(xiàn)在太陽活動峰年期間。但也可能出現(xiàn)在太陽活動的任何時候，包括太陽活動的低年。如，1997年1月正處在太陽活動極低的年份，可是一個大的太陽耀斑爆發(fā)，使美國設(shè)計壽命為12年的衛(wèi)星只服務(wù)了3年，損失7億多美元。再如，2006年12月13日，太陽耀斑爆發(fā)，使廣州、海南、重慶的廣播電臺全部失聲，長達一個多小時。

從1997年到2003年短短六年時間里，發(fā)生了十幾起由太陽風(fēng)暴引發(fā)的空間天氣災(zāi)害性事件，使環(huán)繞地球的400多顆在軌衛(wèi)星中，有的部分報廢或者縮短了壽命。

1995年歐洲航天局聯(lián)合美國航天局發(fā)射一系列衛(wèi)星，用于監(jiān)測太陽活動，其中幾顆衛(wèi)星在太陽風(fēng)暴的襲擊下早已傷痕累累。

魏奉思：衛(wèi)星受到太陽風(fēng)暴產(chǎn)生的高能電子攻擊，會導(dǎo)致衛(wèi)星形成充放電現(xiàn)象。在此過程中，衛(wèi)星的設(shè)備或整個衛(wèi)星都有可能被擊毀。（圖3）

那么同樣用于觀測太陽活動的子午計劃，又怎樣保證衛(wèi)星的安全運行呢？

在電影《2012》中，太陽風(fēng)暴放射的高能中微子顆粒加熱了地球內(nèi)核，進而引發(fā)了災(zāi)難，中微子能穿透地表嗎？

太陽內(nèi)核每秒鐘產(chǎn)生的能量相當(dāng)于引爆1000億個百萬噸級的核彈，在太陽風(fēng)暴過程中，將向太空噴射上千億噸溫度高達百萬度的粒子，地球能幸免于難嗎？

1941年，魏奉思出生于四川綿陽豐谷鎮(zhèn)。在山里長大的魏奉思從小就目睹了勞動人民生活的艱辛。

魏奉思：小時候，看到背鹽的腳夫背負沉重，拄著丁字拐杖艱難行走，累了就把拐杖杵在背后休息一下。當(dāng)時想長大后要做點事，以減輕他們繁重的體力勞動。初中時，在一次中蘇友好聯(lián)盟活動中看到了聯(lián)合收割機的演示，感到這個機器太好了，農(nóng)民可以省多少力氣啊。產(chǎn)生了要當(dāng)機械化、自動化工程師的愿望。

1958年報考大學(xué)時，他在志愿表上填寫了中國科技大學(xué)自動化專業(yè)。

魏奉思：接到錄取通知書一看，是地球物理系。后來才知道，國家為了衛(wèi)星、火箭研究建造的需要，新增了地球物理系。

畢業(yè)后他被分配到中科院地球物理所，在中科院組建了我國最早的“行星動力學(xué)研究集體”。雖然被評為中科院先進研究集體，現(xiàn)實環(huán)境卻是十幾個人擠在幾間低矮的平房里，經(jīng)費更是少得可憐。

魏奉思：有一天下大雨，室內(nèi)被水淹近一尺深，大家都光著腳、卷著褲腿進出。當(dāng)時非常擔(dān)心的是一臺借錢買的華升工作站，它是我們所的第一臺工作站。用來開展數(shù)字模擬研究，研究太陽風(fēng)暴從太陽表面開始，通過太陽附近的近日冕的磁層結(jié)構(gòu)是怎樣往外傳播的，當(dāng)時國際上還沒人這么做。

在這樣艱難的條件下，他創(chuàng)建了我國空間物理領(lǐng)域第一個所級開放實驗室——日球物理數(shù)值開放實驗室。在起草我國空間物理發(fā)展規(guī)劃過程中，魏奉思提出了子午工程的科學(xué)構(gòu)想。

魏奉思：子午工程觀測設(shè)備在監(jiān)測太陽風(fēng)暴引起地球空間環(huán)境變化過程中將得到一系列數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)中心處理后形成各種圖表。日冕物質(zhì)拋射、電離層震爆等都能監(jiān)測得到。總體看，人類監(jiān)測能力還有限，太陽上究竟發(fā)生了什么事情，沒有衛(wèi)星到離太陽很近的地方去觀測，只能是霧里看花。減輕或規(guī)避空間天氣災(zāi)害對人類的影響，世界各國都面臨著巨大挑戰(zhàn)。

子午工程于2012年10月23日通過國家驗收，正式投入科學(xué)運行。將大幅提高我國空間天氣預(yù)報能力和服務(wù)水平，為我國衛(wèi)星、通信、導(dǎo)航、載人航天等安全運行提供重要保障。

子午工程是目前世界上跨度最長、監(jiān)測空間范圍最廣、監(jiān)測方法和手段最全、監(jiān)測參數(shù)最多、綜合性最強的空間環(huán)境地基監(jiān)測系統(tǒng)，處于國際同類科學(xué)裝置的領(lǐng)先地位。

重大國際科技合作項目——國際空間天氣子午圈計劃也取得重大進展。該計劃將中國的子午鏈向北延伸至俄羅斯，向南延伸到澳大利亞，并將分布于西經(jīng)60°附近的地面觀測臺站納入聯(lián)網(wǎng)觀測，形成了唯一一個能繞地球一周的地基空間環(huán)境子午圈。已經(jīng)得到了圈上絕大部分國家的響應(yīng)。（圖4）（圖5）

面對太陽風(fēng)暴，在大氣層之外，地球的磁層是對我們最重要的保護，太陽風(fēng)暴會沖擊和壓縮地球磁層，地球磁場的急劇變化會在地面電網(wǎng)中形成強大的感應(yīng)電流。這些感應(yīng)電流會輕易地擊穿變壓器的鐵芯和銅線圈，使電網(wǎng)瞬間陷于癱瘓。（圖6）

1989年3月13日凌晨2時44分，加拿大魁北克省電力公司的工程師突然發(fā)現(xiàn)圖板警告燈開始閃爍，1分15秒后，太陽風(fēng)暴造成了魁北克省大規(guī)模停電。當(dāng)蒙特利爾市的居民幾個小時后醒來時，發(fā)現(xiàn)城市仍然處于一片黑暗之中，沒有廣播，沒有報紙，學(xué)校、地鐵和機場都已關(guān)閉，街頭只有交通堵塞和一片混亂。600萬人忍受了長達9小時的停電之苦。在邊境之外，美國也有十幾個州發(fā)生了不同程度的電力故障，新澤西州一架價值一千萬美元的巨型變電器被燒毀。

在美國國家科學(xué)院的報告中提到，超強太陽風(fēng)暴會帶來巨大的社會和經(jīng)濟破壞，在災(zāi)難發(fā)生的第一年，將給美國造成高達2萬億美元的巨額損失。

魏奉思：超強太陽風(fēng)暴吹襲到地球，對我國將造成多大經(jīng)濟損失？通過分析我國衛(wèi)星數(shù)量、運行狀態(tài)和基礎(chǔ)設(shè)施被破壞的程度，保守估計，經(jīng)濟損失可能達到一千億美元以上。

太陽黑子的大量出現(xiàn)，預(yù)示著太陽上的大爆炸：閃亮耀斑，高能帶電粒子輻射增強，日冕物質(zhì)拋射向空間。這些爆炸是如此的劇烈和壯觀，相當(dāng)于150億個百萬噸級核彈同時引爆。然而僅僅8分鐘后，諸如X射線、紫外射線、伽馬射線將闖入大氣層。十幾個小時后，一股肉眼看不見的殺手——高能粒子就將殺到地球。這些高能輻射不是可見光，卻可以破壞生物細胞和DNA。雖然人體有自我修復(fù)的功能，可是在太陽風(fēng)暴中這種看不見的“日光浴”有時會給你帶來致命傷害。（圖7）（圖8）

魏奉思：太陽風(fēng)暴引起的地球磁暴，能使心血管疾病的發(fā)病率、死亡率有增高的危險。高能輻射的紫外線、高能帶電粒子對動植物的繁殖、生長、發(fā)育都有影響。

太陽上的磁活動有時會使太陽內(nèi)部受磁場約束的物質(zhì)有了一個突破口，上千億噸的太陽物質(zhì)將以每秒數(shù)百公里或者數(shù)千公里的速度噴射出來，形成沖擊波。這股太陽颶風(fēng)將穿越日地行星際空間，在不到四天之內(nèi)便可到達地球。有時甚至不到20個小時。（圖9）

這股颶風(fēng)將正對著它的地球磁力線吹到地球身后，發(fā)生磁場重聯(lián)，釋放出巨大的能量；大量的高能太陽風(fēng)粒子從地球的兩極撞入大氣層，激發(fā)出絢爛的極光。這令人著迷的光幕預(yù)兆著空間天氣災(zāi)害將可能光臨地球。

魏奉思：太陽風(fēng)暴這個外因，會引起地球空間環(huán)境變化。比如，太陽風(fēng)暴與火山活動、厄爾尼諾現(xiàn)象，以及全球氣溫變化都有一定關(guān)聯(lián)。我們已向國家提出建議，建立國家的空間天氣保障體系。提升我國對空間天氣變化過程及其規(guī)律的認識水平，加強預(yù)警報警以及效率分析的研究。如果這些事情做好了，太陽風(fēng)暴災(zāi)害可以大大減少。

2009年1月美國國家科學(xué)院曾經(jīng)發(fā)布一份特別報告，說超強太陽風(fēng)暴于2012年9月吹襲地球，可能引發(fā)一場地球災(zāi)害。但他們很快又發(fā)現(xiàn)，這個說法是錯誤的。

魏奉思：美國科學(xué)家們在2008年作出預(yù)報，2012年9月是太陽峰年，但很快發(fā)現(xiàn)不對。2008年有200多天太陽上看不到任何黑子。2009年，太陽活動仍然處在一個非常低的水平。這是過去任何預(yù)報模式和方法都沒有預(yù)測出來的。

2010年10月，美國國家科學(xué)院更正，第24個太陽活動周期產(chǎn)生的超強太陽風(fēng)暴并非在2012年9月吹襲地球，而是2013年的4月。

太陽受其內(nèi)在物理條件的制約，形成了大約每11年一次劇烈活動的太陽活動周期，它產(chǎn)生的太陽風(fēng)暴是不可避免的。那么人類將如何應(yīng)對呢？

魏奉思：太陽風(fēng)暴對百姓生活沒有大的影響。原因是：地球大氣層首先吸收了從太陽來的電磁輻射，除了紫外波段非常短的一小部分外，基本上到不了地表。帶電粒子被地球磁場所屏蔽，它沿著地球磁場打轉(zhuǎn)，絕大部分到了地球兩極，產(chǎn)生極光。太陽等離子體到來后，也被地球磁場所擋住。太陽風(fēng)暴沒辦法直接到達地面。我們要樹立空間災(zāi)害意識，學(xué)習(xí)空間天氣知識，這樣就不會因太陽風(fēng)暴吹來而恐慌或擔(dān)心。

劇烈而集中的太陽風(fēng)暴在太陽活動峰年很有可能發(fā)生，但是卻不太可能會直接向地球襲來。相對于宇宙空間來說，我們的地球非常渺小，只有正對著地球的太陽風(fēng)暴才會對人類社會產(chǎn)生重大的不利影響。

高能粒子的襲擊是太陽風(fēng)暴的重要威脅。在電影《2012》中提到的中微子是宇宙中廣泛存在的粒子射線，具有很強的穿透性和不與其他物質(zhì)產(chǎn)生作用的特性，在您閱讀此文過程當(dāng)中，已經(jīng)有數(shù)百萬中微子穿過了您的身體，至于中微子加熱地球內(nèi)核，那只不過是影片主創(chuàng)人員的想象。

魏奉思：若太陽像一片森林，地球就是一片葉子。和太陽相比，地球?qū)嵲谔煨　Ｌ栵L(fēng)暴的神秘面紗終究會揭開，人類以自己的智慧，總是會不斷逼近真理性的認識。一個民族不能只關(guān)心腳下的事情，希望更多的人仰望星空。