太陽風暴“實力派”

◆韓大洋

上期我們認識了太陽“武器庫”中的耀斑、日冕物質拋射、高能帶電粒子流、冕洞高速太陽風等“武器”，這期我們再來好好領教一番太陽的“招數”吧！

發現即命中的“閃光彈”

作為太陽技能中攻擊速度最快的，耀斑讓地球相當“頭痛”。它從爆發開始到“命中”地球僅需8分20 秒，沒有給人類留一絲反應的機會。按照光速的近似值30 萬千米每秒計算，光波經過太陽到達地球的1.5 億千米所需要的時間，相比我們的觀測系統，無論是地球同步衛星、極軌衛星，還是遠在日地拉格朗日L1點上的衛星，當它們獲取耀斑數據，通過無線電信號以光速傳回地球，再經過數據系統處理傳輸，已經距離耀斑命中地球數分鐘。

此時，首當其沖的就是地球大氣層中的電離層。電離層是距離地面約60 千米到1000 千米的大氣區域，在太陽光的照射下，這里的空氣粒子被部分電離，從而顯現出等離子體的特性。我們知道，耀斑包含自然界所有波長的光，當耀斑到達后，其中能量較強的X 射線、紫外線等會加劇大氣的電離，在一瞬間打破整個地球向陽面電離層的穩定，使原有電子密度、溫度以及粒子間發生碰撞的頻率發生改變。

圖1 太陽動力學天文臺(SDO) 于2022 年10 月2 日 捕獲的一次X1 級太陽耀斑（圖/美國國家航空航天局）

如果將同學們比作電離層中的氣體粒子，那么做課間操時的你們就構成了平靜時期的電離層，每個人按班級列隊整齊站好，跟隨節拍和旋律統一行動。耀斑的到來仿佛有人突然拿出幾個籃球，大喊一聲“打球嘍”，此時，數百名男同學開始追著籃球的蹦跳方向奔跑，誰都想最先拿到球、占到場地，女同學則紛紛沿著操場邊緣繞開，逐漸在操場兩邊聚成堆，之前規整的隊列不見了蹤影。

這就是耀斑影響下地球電離層的變化，要知道，短波通信、導航定位都是以穩定的電離層為基礎。此時，原本應該被電離層反射回地面的無線電信號直接飛向太空，衛星信號在穿過電離層時發生彎折，進而導致飛行員無法與地面取得聯系，衛星定位導航出現偏差甚至不能使用，測繪儀器的誤差超過正常范圍等。

高能帶電粒子流 讓衛星“瑟瑟發抖”

耀斑的爆發往往會伴隨大量高能帶電粒子的發出，它們的速度比耀斑稍慢一些，約為光速的十分之一，但攜帶的能量很高，如霰彈槍發射的效果一般，大量粒子形成一個攻擊面，對其飛行路徑上的一切物體造成傷害。

比較典型的是帶電粒子攻擊衛星，它們有的會貼附在衛星表面，使衛星表面附上高達幾百甚至上萬伏特的電壓，稍有刺激就會造成尖端放電，一瞬間擊穿衛星表面。有的高能粒子甚至能直接穿透衛星的防護層，攻擊衛星核心載荷甚至電路和芯片，輕則制造錯誤的電信號威脅衛星運行安全，重則破壞芯片，造成衛星任務的失敗。

1988 年9 月7 日，我國第一顆氣象衛星風云一號A 星成功發射。在它工作不久后，一次太陽爆發產生的高能帶電粒子轟擊造成單粒子翻轉事件，衛星姿態控制系統發生故障，僅在工作39 天后不得不結束任務。

圖2 1988 年9 月7 日，風云一號A 星在山西太原衛星發射中心由長征四號運載火箭發射升空（圖/國家衛星氣象中心 供）

讓地球“顫抖”的太陽風暴

除了單獨出招，太陽還經常以“技能串”的形式出擊。耀斑和高能帶電粒子流都只能算是熱身或“開胃湯”，日冕物質拋射才是“正餐”。

數以億噸甚至萬億噸計的日冕物質以幾百到兩千千米每秒的速度飛出，速度與質量的背后是太陽磁場的巨大能量。一旦這些日冕物質“命中”地球，一場從天到地、從磁場到大氣的“風暴”在所難免。

首先是地球磁場，在太陽強大的能量作用下，地球常常會發生磁場磁力線的斷裂與重聯，伴隨著大量太陽粒子進入南北磁極，絢麗的極光產生了。其次是大氣層，太陽能量的注入使得高層大氣的底部被加熱，大氣層出現大范圍的受熱膨脹，下方的空氣粒子不斷向上擴散，造成軌道大氣密度增大。

圖3 太陽風暴對多種人類活動造成顯著影響（圖/國家衛星氣象中心 國家空間天氣監測預警中心 供）

2022年2月，受太陽風暴的影響，剛發射不久的49 顆星鏈衛星遭遇地磁暴，快速增大的軌道大氣密度加大了衛星的飛行阻力。在地面運行控制部門的緊急應對下，最終仍有38 顆衛星墜入大氣燒毀。

在太陽風暴的沖擊下，地球環境發生了變化，人類活動尤其是高技術系統也受到巨大影響。比如民航的通信、導航、航空輻射條件變得惡劣，地面臺站與航班失去聯系，航空輻射不斷升高帶來的風險可能導致航班被取消。太陽風暴制造的地磁暴還會對輸電、高鐵管網造成重大威脅。

對于太陽爆發活動，人類又該如何應對？更多精彩，敬請關注下期內容。