我们为罕见而强大的太阳事件做好了多大准备？

1859年8月，天文学家们注意到太阳表面出现了异常多的黑子。理查德·卡林顿（Richard Carrington）就是其中一位观测者，他是一位居住在伦敦郊外的业余天文爱好者。有一天，当他将太阳的影像投影到屏幕上时，他注意到了一次持续约五分钟的强烈“白光耀斑”。我们现在知道，这就是一次日冕物质抛射——太阳外层大气（日冕）释放出的炽热气体（物理学家称之为等离子体）的爆发。

这团等离子体高速向地球冲来，并与地球的磁层发生碰撞。磁层是地球周围空间中地球磁场最强的区域。由此产生的扰动，即快速移动的粒子将其能量传递给磁层，被称为地磁风暴。这场如今被称为“卡林顿事件”的事件，对当时的高科技设备——电报线——造成了巨大的破坏。“电报接线员看到设备冒出火花，电报站也着火了，”科罗拉多州博尔德市空间天气预测中心的空间天气预报员肖恩·达尔（Shawn Dahl）说。一段关于这次事件的两位电报接线员之间的对话甚至被记录下来：他们急切地想防止电报线路过载，于是尝试断开设备的电池连接。“他们断开了电池，却发现即使没有连接任何电力，他们仍然能够发送信号。这就是卡林顿事件的威力，”达尔说。这次事件还引发了壮观的极光，其可见范围远至巴拿马和意大利南部。

我们可以将太阳大致看作一个巨大的条形磁铁，一端是北极，另一端是南极。磁力线从北极绕着太阳环绕到南极，就像条形磁铁的磁力线绕着磁铁一样（这一点可以通过课堂上撒铁粉演示来揭示）。太阳在旋转，而且太阳的不同部分以不同的速度旋转——这意味着数十亿吨的炽热等离子体一直在被搅动。最终的结果是磁力线被拉伸和扭曲。

“所有这些张力和能量总有爆发的时候，”达尔解释道。他将这种现象比作橡皮筋；你拉得越紧，张力就越大。最终，磁力线会断裂（相当于橡皮筋断裂），并立即重新连接成一种应力较小的构型。“这种重新连接事件会将能量推回太阳表面，这可能会引发我们所说的太阳耀斑，并以日冕物质抛射的形式将电子和高能粒子送入太空，或者以太阳辐射风暴的形式将非常高能的质子送入太空。”

如果今天发生一场堪比卡林顿事件的太阳风暴，其影响将是灾难性的。电网尤其脆弱——感应电流会轻易地使电容器和晶体管过载——而这可能只是开始。由于连锁反应——一种技术依赖于另一种技术——中断可能会影响医疗保健、供水和卫生、金融业等等。达尔说，最糟糕的情况可能是“大范围停电，影响到全国不同地区的多个州。”

专家们认为，从最严重的太阳风暴中恢复可能需要十年时间，耗资数万亿美元。正如《华盛顿邮报》最近的一篇社论所说：“全球基础设施面临的最大威胁之一来自太阳……没有必要恐慌。但是，有必要做好准备。”

即使是较小的空间天气事件也可能造成重大损害。1989年，一连串的日冕物质抛射导致加拿大魁北克省整个省的电网瘫痪，导致约九百万人九小时断电。北美其他地区甚至欧洲也受到影响。最近，在2024年5月的短短几天内，至少发生了八次日冕物质抛射；这可能是本世纪最强大的太阳风暴。（它还引发了壮观的极光，这在事件发生很久之后仍然吸引着社交媒体用户。）

然而，通过提前预警，可以采取措施降低风险。例如，如果一个电网接近满负荷运行，并且探测到太阳风暴，运营商可以限制电力流入电网。这意味着居民可能会经历局部停电——这很不方便，但不如全面停电那样具有破坏性。

太阳风暴还对卫星构成双重威胁。首先，磁场活动会在卫星电路中感应出电流，就像它们可能扰乱地面电路一样。其次，带电粒子携带的能量会导致地球大气层膨胀，增加卫星需要克服的阻力。“这就像走在雪地里，”美国宇航局（NASA）总部（位于华盛顿特区）的天体物理学家凯莉·科雷克（Kelly Korreck）说。“你走得越深，就越难走。这与卫星的经历类似；额外的阻力会减慢它们的速度。”有些卫星可以通过机动飞到更高的海拔来避免增加的阻力；另一些卫星可能会因此而下降到较低的轨道，在那里它们可能会燃烧殆尽或坠落地面。

另一个令人担忧的问题是构成全球定位系统（GPS）网络的卫星阵列。这些卫星的轨道足够高，可以避开大气阻力，但它们发送和接收的信号仍然可能受到太阳活动的负面影响。太阳风暴会在地球的电离层（行星高层大气的电离层）形成“气泡”，GPS信号必须穿过这些气泡。“当这些GPS信号向上传播然后向下传播时，这些气泡会干扰信号，”科雷克说。“然后系统可能会认为，‘哦，你不在那里；你实际上在这里。’”

太阳风暴带来的辐射增加也可能对国际空间站上的宇航员造成伤害。“密歇根大学（University of Michigan）的空间科学家迈克尔·利姆霍恩（Michael Liemohn）表示，可以采取措施减轻这些影响。例如，可能会指示宇航员推迟或取消舱外活动。在未来几年，当“阿耳忒弥斯”（Artemis）任务将宇航员送回月球时，NASA很可能会制定空间天气协议。利姆霍恩说，任务控制中心可能会指示宇航员“待在他们的月球着陆器舱内——甚至在地下挖一个洞。”

回顾过去，他认为阿波罗计划的宇航员很幸运，能够避开从登月前到1972年最后一次任务期间的不利空间天气。“他们很幸运，”他说。“在他们的一次舱外活动期间，也就是他们在外太空，只穿着宇航服的时候，并没有发生大规模的太阳高能粒子事件。这些宇航服对这些粒子几乎没有防护作用……（它们）可能导致即时辐射损伤。”

太阳风暴无法被阻止，但作为美国国家空间天气战略的一部分，科学家们正在努力改进预警系统和整体的准备工作。NASA和NOAA利用卫星——包括2015年发射的NOAA的深空气候观测卫星——来监测太阳活动，从而可以提前预警某些类型的太阳活动。（对于带电粒子流，提前预警可能通常是15到20分钟，而日冕物质抛射涉及速度较慢的粒子，其影响可以更早地预测，有时可以提前一天以上。）此外，还在努力使电网更加坚固，并改善跟踪这些风暴及其影响的各个机构之间的沟通。

与飓风、暴风雪、热浪和野火等陆地天气一样，空间天气也让普通民众担忧。达尔说，虽然大多数人不必每天担心空间天气，但了解情况是有益的。例如，了解科学家用来对地磁风暴进行评级的五点制（G5为最严重）会很有帮助。

“公众对空间天气的普遍理解会很有帮助，”达尔说。他补充道：“这样，电视上的气象预报员就可以说，‘哦，顺便说一句，预报有G4风暴。所以，那些计划播种种子的农民们，请注意，你们的GPS在接下来的两三天里可能无法正常工作。’”

他补充道：“我希望普通人知道什么是日冕物质抛射，就像他们知道什么是龙卷风一样。并不是说他们必须跑进屋子里，躲在地下室里，为CME（日冕物质抛射）的到来而掩蔽——他们身体上不会有什么危险——但我们只是想做好准备。”

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