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超级太阳风暴来了,你准备好了吗?

1967年5月,美苏冷战时期,美国部署在北半球的三大弹道导弹预警系统的雷达全部中断。美军怀疑是苏联的军事干扰,战机准备起飞迎战,战争迫在眉睫。

1972年8月,越南战争时期,美军投放在越南海域的4000磁感应水雷全被引爆。

1989年3月,加拿大魁北克正值严冬,600万人断电,时间长达9小时,社会陷入混乱的边缘。

这些像是科幻片里的情节。不,都是真实的,这是太阳风暴带给现代文明的灾难。每个人、每个种族、每个国家都无法置之度外。

超级太阳风暴来了,你准备好了吗?

什么是太阳风暴?

1860年7月18日,一个叫Gugliemo Tempel的意大利人在西班牙观测日全食时手绘了一幅图像。图中除了常见的结构外,右下角有一团状物。当时并没有引起世人注意。

100多年后,即上个世纪70年代,美国的OSO-7卫星和天空实验室(Skylab)利用日冕仪观测到了类似结构。日冕仪的工作原理与日全食类似,都是遮挡太阳,因此太阳的外层稀薄大气,称为日冕,可以被观测到。由此才知道1860年Gugliemo Tempel手绘的团状物并非天马行空的神来之笔。世人开始惊讶一向认为宁静的太阳大气竟有如此大尺度的爆发现象,科学上称为日冕物质抛射(CME)。

随后大量的卫星观测,特别是1995年发射的SOHO卫星,表明日冕物质抛射是一种常见的现象。在太阳活动极小期每天约1次,太阳活动极大期每天平均5次。它源于日冕磁场的不稳定性,短时间内大量的磁化物质被抛射至行星际空间。被抛出的物质可达数十亿吨,速度可高达每秒3000多公里!

随着空间探测和研究的不断深入,逐渐认识到太阳风暴对人类生存的空间环境有着巨大影响。它能产生持久的高能粒子事件,危及宇航员的生命和太空科技设施。撞击地球时,除产生绚丽的极光外,也会引起强烈的地磁暴、电离层扰动和地面感应电流,使卫星、导航、无线电通讯和地面电网瘫痪。随着人类对科技依赖的日益加深,太阳风暴对现代科技社会的影响也日益加重。

什么是超级太阳风暴?

对于什么是超级太阳风暴,并无精确的定义,一般指低概率、高影响的事件。经常被用作参考的是1859年的卡林顿事件,英国天文学家卡林顿根据自家后院望远镜的观测,手绘了爆发时太阳上耀斑和黑子的形态。

当日午夜后的4点(约爆发后的18个小时)发生了一次大的地磁暴,伴随的极光甚至在低纬的加勒比海地区也能看到。那时人类尚未进入现代科技社会,所以影响较小。即使如此,欧美的电报系统失灵,电报线的放电甚至引起了火灾。

倘若发生在当代,会有多严重的后果呢?据美国空间研究委员会粗略估计,若一个超级事件撞到地球,对现代科技社会造成的损失可高达数万亿美元,社会恢复的周期为4-10年。最近一个研究则给出更为“具体的”经济学价值上的估计:若美国66%的人口断电,美国的损失将为420亿美元……每天!

然而,太阳风暴的影响并非仅仅在经济层面。

1967年5月23日的一次大爆发,导致了上述美国弹道导弹预警系统雷达的瘫痪。紧急关头,美军空间天气预报员指出是太阳爆发中断了雷达和无线电通讯,由此避免了一场可能发生的核战争。

1972年8月7日的另一次爆发产生了历史上最快的太阳风暴,以极短的时间(14.6小时)到达地球,引爆了美军投放的4000磁感应水雷。如果核武器同样由磁感应引发,将会产生什么样的后果?结果不得而知,但此后美军投入大量精力来避免其武器遭受太阳风暴影响。

“狼”真的要来了,而且比你想象的还要多!

科学家估计未来10年发生超级太阳风暴的概率是10%左右。然而,2012年7月23日和2017年7月23日的两次超级太阳风暴事件给了我们重要启示,虽然它们并没有撞到地球。2012年爆发产生的太阳风扰动与1859年的卡林顿事件类似,而2017年爆发则堪比1989年3月份事件(该事件造成了自太空时代以来最严重的地磁暴,导致了加拿大魁北克的大停电)。

这两次事件发生在同一个很弱的太阳活动周,而且后一次爆发接近太阳活动极小期,表明超级太阳风暴可发生于任何太阳活动周、活动周的任何时间段。这两次事件的比较揭示超级太阳风暴可能是“完美风暴”,这与认为超级太阳风暴来自超级活动区或超级耀斑的传统观念截然不同。

“完美风暴”这一词汇来自美国传记作家Sebastian Junger 1997年发表的一部小说(Perfect Storm),如今已成为固定词汇。它并不是指风暴是完美的,而是指多种条件汇聚在一起使得事件强度大大增加。历史上一些超级太阳风暴,如上文的1859年卡林顿事件、1972事件、1989事件等,都符合“完美风暴”特征。如果超级事件是“完美风暴”,意味着超级太阳风暴比我们想象的还要多!

国家战略应对的紧迫性

越来越多的决策者意识到了太阳风暴研究的重要性和对现代科技社会的危害。2015年10月美国白宫科技政策办公室发布了“国家空间天气战略”和“国家空间天气行动计划”,意味着空间天气被提升至国家战略层面。2016年10月美国更发布了总统令,责成各大部委联合应对空间天气事件。然而,在国内还没有形成国家战略层面的认知和措施。

目前国内空间天气研究和预报严重依赖美欧卫星的观测。没有自己的科学卫星,难以引领国际。如果西方国家取消数据开放政策,对中国空间天气研究和预报的打击将是致命的。这是“卡脖子”问题,类似IT行业的芯片。特别是在战争时期,在没有空间天气预报和准备的条件下打一场高科技战争,造成的损失将不可估量。

“羲和计划”

我们由此提出“羲和计划”。羲和为中国神话中的太阳神之母,以羲和形象代表项目的科学使命,既表达了项目对研究太阳活动起源、太阳系内生命起源与演化的重要意义,又体现了对整个日地空间进行监测和保护人类生存环境的重要作用。

卫星位于得天独厚的日地系统第五拉格朗日(L5)点。这是稳定的引力平衡点,处于地球轨道上,离开日地连线60度,适合观测朝向地球传播的太阳风暴,并可覆盖太阳和整个日地空间。这些特点对于空间天气研究和预报极其重要。

在L5点探测的基础上,未来可以在其共轭点,L4,日地系统的另一稳定的引力平衡点,放置一颗同样配置的卫星。也可以作为国际合作的设想,联合其他国家把L4、L5两点探测同时做起来。L4–L5两点的同时观测,将形成对太阳和日地空间的三角测量,更加精确的观测和跟踪太阳风暴。

目前研究尚不能预报太阳风暴在什么地点、什么时间爆发。但一旦爆发,可以运用L4–L5点三角测量,实时跟踪太阳风暴在整个日地空间的传播,实时的确定传播方向、距离和速度,从而实时的作出空间天气预报。就像地面天气中跟踪飓风一样。

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