淺談太陽風暴對人類生活的影響.docVIP

淺談太陽風暴對人類生活的影響 劉仁宇 （武漢大學(xué)附屬中學(xué)高三班湖北武漢） 摘要：太陽作為地球的能量之源提供了地球以上的能源。文章簡單介紹了太陽對地球的能量傳輸，包括太陽電磁輻射和太陽風，闡述了太陽風暴的概念、形成和表現(xiàn)形式以及太陽活動周期，并簡要分析了超級太陽風暴可能出現(xiàn)的條件。介紹了太陽風暴引起的地球空間環(huán)境的變化及其對人類生活造成的影響，回顧了近年較大的幾次太陽風暴對人類生活造成的顯著災(zāi)害；最后介紹了人類對太陽風暴的監(jiān)測和預(yù)警現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：太陽風暴；地球空間環(huán)境；地磁暴；太陽風；災(zāi)害性空間天氣；太陽活動周期 ：N91：50337 背景 年，美國國家科學(xué)院在一份特別報告中警告稱，新一輪太陽活躍期即將到來，并將在年達到頂峰，屆時地球可能面臨超級太陽風暴的襲擊。 如果超級太陽風暴來襲，地球空間環(huán)境和人類生活將會受到什么影響？美國國家地理雜志的一個科教短片太陽風暴非常生動地回答了這個問題。短片開頭這樣描述：“在外太空有一種武器威力比原子彈強億倍，一次攻擊就能讓地球上的一塊大陸陷入黑暗，瞬間從太空時代退回石器時代。這種攻擊并非人類武器，而是于太陽?！逼忻枋隽四暝绿栵L暴給人類活動帶來的一些災(zāi)害。年月發(fā)生了近代科學(xué)史上罕有的超級太陽風暴。在此期間，由于高層大氣加熱、膨脹使衛(wèi)星高度的大氣阻力增加，使“太陽峰年衛(wèi)星”提前隕落、大量飛行物軌道改變，造成新發(fā)射飛行物的跟蹤辨認困難；美國民用、軍用極軌低高度氣象衛(wèi)星無法釋放因磁場異常變化所積累的力矩，而影響姿態(tài)。對地靜止通信衛(wèi)星為維持其正常姿態(tài)，兩天內(nèi)所耗的燃料相當于正常運行一年的用量；這期間因電離層擾動，低緯度無線電通訊幾乎完全失效，輪船、飛機導(dǎo)航系統(tǒng)失靈，海軍的衛(wèi)星高頻通訊網(wǎng)絡(luò)在全球范圍發(fā)生中斷；高能粒子流量這期間的突然增加，致使日本同步氣象衛(wèi)星指令系統(tǒng)一半失效或永久損壞，宇航員眼睛的視網(wǎng)膜受到高能粒子轟擊而閃光；加拿大魁北克省輸電系統(tǒng)因強大的感應(yīng)電流燒毀了主變壓器而引起電網(wǎng)損壞，萬居民停電h之久，損失功率近億瓦，直接經(jīng)濟損失達億美元。在這個太陽活動高峰期里，高能粒子造成我國“風云二號”氣象衛(wèi)星于年提前報廢。這次空間災(zāi)害性天氣事件，給眾多國家的空間、地面技術(shù)系統(tǒng)造成了巨大損失，使政府有關(guān)部門和日地物理學(xué)家、衛(wèi)星工程技術(shù)專家認識到，人類社會發(fā)展所面臨的空間災(zāi)害的嚴重性。 太陽風暴的概念及形成 日地能量傳輸 對于地球而言，太陽是我們的能量之源，地球誕生以來所消耗的能源以上都于太陽。太陽的能量之大是我們無法想象的，在太陽風暴短片中講到，太陽的能量其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，這種反應(yīng)每秒產(chǎn)生的能量比地球誕生以來所消耗的所有能量還多。日常生活中，我們首先感受到的太陽能量就是陽光的照射。由于陽光對地球的直射點在南北回歸線之間移動造成地球上的冬夏交替，讓我們感受到冬天的寒冷和夏天的炎熱。武漢的夏日，烈日當空，站在大太陽下不動都渾身冒汗，但如果能躲進樹蔭立刻倍感涼爽。武漢的冬天則是天寒地凍，身上裹得像個粽子也抵不住陣陣寒意，但如果能陽光下曬上幾分鐘，立刻覺得渾身舒坦。僅僅由于陽光對地球直射點的少許變化就造成四季溫度的巨大差異，太陽的威力可見一斑。此外，由于陽光對大氣的加熱在不同季節(jié)和不同緯度都不相同，還會造成地球高層大氣的全球尺度環(huán)流。實際上，陽光除了對地球提供熱能，還能造成高層大氣的電離進而形成導(dǎo)電層，而正是地球上空的導(dǎo)電層讓人類的遠程無線電通信成為現(xiàn)實。當然，造成大氣電離的陽光并非我們熟悉的可見光，而是遠紫外波段和射線波段的太陽光輻射。 我們知道，光其實是一種電磁波，太陽可見光和其他波段的光輻射統(tǒng)稱為太陽電磁輻射。太陽在以電磁輻射的形式向地球提供能量的同時，還以另一種形式也在向地球源源不斷地提供能量，前文所說的太陽風暴對地球的襲擊正是后一種形式的巨大能量。 太陽風暴的形成原因 太陽風 大約年前，人們發(fā)現(xiàn)每次太陽出現(xiàn)大耀斑之后天，地磁場就會發(fā)生顯著變化，這使人們想到太陽耀斑可能伴隨著太陽粒子發(fā)射，由于太陽和地球相距大約億千萬公里，天的滯后時間表明這種粒子發(fā)射的運行速度約為kms，也就是數(shù)百萬kmh。經(jīng)過幾十年的探索和研究，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)太陽上的這種粒子發(fā)射是連續(xù)不斷的，我們稱之為“太陽風”。與地球上我們熟知的風大不相同，太陽風是太陽大氣不斷向外噴發(fā)的帶電粒子流，典型速度大約kms，也就是萬kmh，最高速度超過萬kmh，而地球上最強的臺風速度才幾百kmh。太陽每時每刻都在以這種“風”的形式向地球輸入能量，但這種能量輸入主要發(fā)生在極區(qū)，然后通過在地球空間的能量釋放過程造成全球性的影響，而太陽電磁輻射在向陽面所有緯度都有能量輸入。太陽活動平靜期，太陽風對地球的能量輸入與電磁輻射的能量輸入大致相當，但在太陽活動活躍期，太陽風攜帶的物質(zhì)和能量顯著增強。 太陽風暴的表現(xiàn)形式 通俗地說，太陽風暴就是太陽表面的大爆炸，大爆炸首先表現(xiàn)為太陽耀斑。一次太陽耀斑爆發(fā)的能量可以提供美國數(shù)千年電力。耀斑產(chǎn)生增強的電磁輻射，min就可以到達地球，引起低層大氣電離增強和強烈的無線電波吸收，進而導(dǎo)致整個向陽面的的無線電通信中斷。h之后，高能粒子到達地球，對太空中的宇航員帶來致命傷害，衛(wèi)星的許多電子器件和太陽能電池板也會造成毀滅性破壞。 太陽耀斑能量驚人，卻還并非造成年月魁北克大停電的元兇，而只是一場驚人破壞的第一階段，耀斑就好比開槍后的閃光，造成破壞的是隨即而至的子彈，也就是跟隨在耀斑之后的日冕物質(zhì)拋射。一次日冕物質(zhì)拋射可以攜帶數(shù)十億t的物質(zhì)并加速到數(shù)百萬kmh，其h內(nèi)的能量可以提供美國萬年的電力。日冕物質(zhì)拋射也可以看成是顯著增強的太陽風，它向地球輸送的大量物質(zhì)和能量引起地球空間環(huán)境的巨大變化，進而對人類活動造成不可估量的災(zāi)害，我們稱之為地磁暴。地磁暴可以導(dǎo)致強大的地面感應(yīng)電流，足以摧毀人類的任何大型地面電網(wǎng)，還會造成輸油管道的破壞，導(dǎo)致大面積供電中斷和石油泄漏，所幸這種強大的地面感應(yīng)電流只在局部出現(xiàn)，但太陽風暴越強，其可能出現(xiàn)的區(qū)域也越廣。地磁暴還會強烈改變高層大氣的電離屬性，造成衛(wèi)星導(dǎo)航以及飛機或艦船的導(dǎo)航信息達到幾公里的誤差，甚至造成導(dǎo)航和通信鏈路的中斷。地磁暴造成低層大氣加熱上升導(dǎo)致衛(wèi)星軌道高度的大氣密度增加，衛(wèi)星運行阻力增大而掉落失蹤，甚至墜毀。年月磁暴期間，美國宇航局的太空實驗室就因空氣阻力增大逐漸脫離軌道，最終墜落墜毀在印度洋和西澳大利亞上空。 太陽風暴對人類生活的影響 以往太陽風暴對人類生活造成的顯著災(zāi)害 過去年里，已有多次太陽風暴對人類活動造成顯著災(zāi)害性影響。年月的強磁暴造成美國緬因州核電廠發(fā)生災(zāi)難性破壞；年月的太陽爆發(fā)事件使美國公司一顆價值億美元，設(shè)計使用壽命年的同步軌道通訊衛(wèi)星僅服務(wù)年就提前報廢，損失高達億美元；年月的多次太陽爆發(fā)事件導(dǎo)致美國銀河四號通訊衛(wèi)星失效和一顆德國科學(xué)衛(wèi)星報廢，無數(shù)的通信中斷造成金融交易陷入混亂；年月日歐美的、等重要科學(xué)研究衛(wèi)星受到嚴重損害，如美歐合作耗資億美元的太陽科學(xué)衛(wèi)星的探測器減壽一年，日本的衛(wèi)星失控，衛(wèi)星的計算機遭到破壞；年月底至月初的太陽爆發(fā)事件產(chǎn)生廣泛的影響：瑞典的電力集團報道，北歐上空強烈的地磁誘導(dǎo)電流引起了變壓器事故，導(dǎo)致一套系統(tǒng)崩潰及電力供應(yīng)中斷。航空公司在其高緯度航線中采取了從沒有過的飛行方式來避開高輻射能級和通信中斷區(qū)域。航程變更給航空公司的每次飛行增加了美元的開支。該太陽風暴被懷疑是導(dǎo)致價值美元的飛行器損毀。由于此次太陽爆發(fā)的高強度和變化性，絕大多數(shù)易受空間天氣攻擊的工業(yè)部門在運行過程中都經(jīng)受了某種程度的影響。 年月的太陽風暴雖然是迄今為止對人類活動造成破壞最嚴重的災(zāi)害性空間天氣事件，但還并非史上最強的太陽風暴。年月日早晨，英國天文學(xué)家理查德卡林頓用裝著過濾器的望遠鏡觀測太陽表面時，他發(fā)現(xiàn)太陽表面噴射出了一道明亮的閃光。然而卡林頓不知道的是，那團明亮的斑點是一團帶著電荷的等離子云，它正朝著地球的方向疾速飛來。小時后，“超級太陽風暴”就襲擊了地球，導(dǎo)致熱帶地區(qū)的夜空都能看到極光，這些極光是如此明亮，以至于人們在午夜時分不用點燈都能閱讀報紙?！俺壧栵L暴”導(dǎo)致當時的許多電報機都癱瘓。這次太陽風暴是有記錄以來強度最大的一次，如果用參數(shù)來衡量，它所造成的地磁暴強度達到年月地磁暴的倍。不過在年，世界主要還依靠蒸汽機和肌肉勞力在運轉(zhuǎn)，所以當年的“超級太陽風暴”并沒有給人類帶來過于嚴重的災(zāi)難。 太陽風暴對當今人類生活的影響 時至今日，人類生活變得越來越復(fù)雜，更擁有前所未有的先進科技，但科技給人類帶來的方便和自由在太陽風暴來襲時恰恰成為我們的弱點。如果再發(fā)生一次和年同樣級別的太陽風暴，雖然生命不會受到威脅，但地球上所有依賴電力的設(shè)施和系統(tǒng)都可能受到毀滅性打擊?；氐奖疚牡拈_始，美國科學(xué)院預(yù)計的超強太陽風暴在年并未出現(xiàn)，這種預(yù)計的依據(jù)是什么？要回答這個問題，我們首先需要了解太陽活動的特點?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，太陽活動呈現(xiàn)年的周期，大約每年達到一次太陽活動峰值，在太陽活動峰年期間容易發(fā)生強太陽風暴。這種太陽活動周期的另一個特點是如果前一個太陽活動周的下降期特別長，下一個太陽活動周的上升期可能特別短，可能達到的峰值也異常大。年的超級太陽風暴正是發(fā)生在這種情況。年也是類似，上一個太陽活動周的下降期按趨勢應(yīng)該在年結(jié)束，并開始新一輪活動周的上升期，但直到年，新一輪太陽活動仍未有上升的跡象，這與年前后的太陽活動特征很相似，因此科學(xué)家們警告在新一輪太陽活動峰年，也就是年可能發(fā)生前所未有的超級太陽風暴。 結(jié)語 雖然年預(yù)言并未成真，人類這次躲過一劫，但在不久的將來是否會出現(xiàn)和年同樣級別甚至更強的太陽風暴呢？如果真的來襲，人類又該如何應(yīng)對呢？專家指出，要應(yīng)對太陽風暴，首先需要提高對太陽活動的預(yù)報能力，其次需要了解太陽風暴可能給地球帶來的影響。近年來，越來越多的