卡林頓太空天氣事件

一次強大的太陽風暴，有可能給地球帶來一場災難。它會危及人造衛星和宇宙飛船，使無線電通信中斷，還會破壞輸電設備。

基本介紹

• 中文名：卡林頓太空天氣事件
• 性質：天氣事件
• 世紀：19世紀
• 國家：英國

發現

19世紀，英國有一位叫卡林頓的天文愛好者。他很有錢，在倫敦附近造了一幢房子，裡面建有一間天文觀測室。他就在這間自己的天文觀測室里日復一日地觀測太陽，描繪著太陽表面的黑子。他把太陽的像投影在一塊螢幕上，小心翼翼地把所看到的情況描繪下來。

卡林頓決心通過觀測太陽黑子，確定出準確的太陽自轉周期。功夫不負有心人，他終於發現，太陽黑子沿日面移動一周的時間因緯度不同而各不相同。在太陽赤道上黑子大約只要25天便在日面上轉一周，而在日面緯度45度處的黑子則需要27天半才在日面上轉一周。卡林頓的發現，徹底否定了當時有的天文學家提出的太陽是個固體球的理論，說明了太陽是個氣體球。

卡林頓通過自己的觀測，追蹤太陽黑子在整個為期11年的活動周期里的變化，看著它們變得越來越多而進入極大期，然後又逐漸消失而進入極小期。在此過程中，他發現，隨著這一活動的周期變化，不但黑子的數量發生變化，而且分布的位置會向太陽的赤道移動。每當一個太陽活動周期開始時，最先出現的黑子總是在離赤道較遠處，平均緯度為35度；然後黑子出現的位置漸漸靠近太陽赤道，在緯度10度到25度之間頻繁出現；最後，當這個活動周期臨近結束時，所有的黑子都集中到南、北緯約5度處。

1859年9月1日，早晨，卡林頓觀測太陽黑子時，發現太陽北側的一個大黑子群內突然出現了兩道極其明亮的白光，在一大群黑子附近正在形成一對明亮的月牙形的東西。他從來沒有看到過像這樣的東西。他很興奮，衝出觀測室，想找個人來證明他的發現。可是，樓里空無一人，而當他急忙回到望遠鏡旁時，吃驚地發覺剛才所看到的東西已經消失。

卡林頓向英國皇家天文學會報告：“我看到這次爆發非常迅速地增強。當時，我因為感到吃驚而有點慌亂，急忙跑出去想叫一個人為我的這一發現見證。過了不到60秒鐘我又跑回來了，卻窘住了，原先看到的爆發現象已經大為改觀，變得很微弱了。此後，僅過了很短的一段時間，最後的痕跡也消失了。”

幸好，另一位英國天文學家霍奇森也看到了這次太陽爆發，並向英國皇家天文學會報告了他的觀測結果。不過，人們還是把發現的榮譽給了卡林頓，稱這次事件為“卡林頓事件”。當時，卡林頓以為自己碰巧看到了一顆大隕石落在太陽上。在此之後，天文學家發現，太陽上不時會出現這類事件，只是強度不如卡林頓事件。天文學家把這類事件稱為太陽耀斑。1899年，美國天文學家海爾發明了一種“太陽單色照相儀”，能夠用來觀測太陽發出的某一種波長的單色光。依靠這種儀器，天文學家查明，太陽的閃光和隕石毫不相干，那不過是太陽上熾熱的氫發生了短暫而劇烈的爆炸而已，其威力相當於同時引爆了數百萬顆氫彈。

威力

就在卡林頓第一次觀測到太陽耀斑爆發後的幾分鐘內，英國格林尼治天文台和基烏天文台都測量到了地磁場強度的劇烈變動。然後，在17個半小時以後，地磁儀的指針因超強的地磁強度而跳出了刻度範圍。差不多同時，各地電報局電報機的操作員報告說他們的機器在閃火花，甚至電線也被熔化了。而且，在這天夜裡，天空中五顏六色的北極光一直向南瀰漫到古巴和夏威夷。

卡林頓幾乎肯定地認為這些事件都與他發現的耀斑爆發有關。但是，在那個時代科學家不願意輕易做出結論。卡林頓就此感嘆：“一燕不成夏”。後來更多耀斑爆發事件的觀測事實證明了卡林頓是正確的。如今，我們知道，太陽耀斑爆發引起的太陽風暴，是一種從太陽大氣上層爆發出來的太空風暴，大量的帶電粒子以極高的速度吹向太陽系空間。如果太陽風暴恰好朝著地球吹來，在到達地球附近空間時，就會在地球上造成一系列事件。

在卡林頓發現太陽耀斑爆發後幾分鐘內發生的地磁擾動，是一些以接近光速運動的高能粒子激波到達地球時引起的。隨後的電報機閃火花，著火和出現極光，則是由較慢運動的粒子觸發的，這些粒子攜帶著這次太陽風暴釋放的大部分能量。這後一股粒子到達地球的快慢標誌著它們被拋離太陽時所具有的能量。通常，一次耀斑爆發之後，粒子到達地球的時間大約是30小時。卡林頓事件是迄今記錄到的第二快的太陽風暴事件，粒子到達地球的時間只有17個半小時。最快的是1972年8月的一次太陽風暴，粒子到達地球的時間僅花了14個半小時。

卡林頓事件是一次超強事件。類似的超強事件在歷史上曾經出現過多次，例如1989年3月的那次太陽風暴曾經造成加拿大魁北克省整個配電網故障，而2003年10月30日特大的太陽風暴曾使兩顆衛星失靈，造成全世界通信和電網中斷。然而，研究人員認為，卡林頓事件的強度超過了上述兩次事件，是有記錄以來地球所經歷過的最強的太陽風暴。

內幕

一次太陽耀斑爆發，在短短的一二十分鐘內釋放出的能量，與平時整個太陽1秒鐘內釋放出的總能量相當。因此，有人把太陽上的這種活動比喻為太陽“打噴嚏”是很形象的。那么，太陽怎么會“打噴嚏”呢？

太陽是個熾熱的氣體球。太陽像地球一樣有磁場，它的磁場比地球的磁場強數千倍。地球主要由固體的岩石和金屬組成，因此它的磁場基本上沒有什麼大的變化。而太陽則完全不同，赤道附近的自轉周期短，緯度越高的地方自轉周期越長，於是它的磁場就會隨著自轉運動而彎曲和纏繞起來，從而造成種種活動現象。

為了形象地展示太陽磁場的上述特性，我們把太陽的磁場想像成一條條穿過太陽的“磁感線”。關於磁感線，我們在中學物理實驗課上已經有所認識。我們把鐵屑撒在一塊磁鐵的四周，這些鐵屑就會排列成一幅規則的圖案，可以看到一條條曲線從磁鐵的一端伸向另一端。這些曲線就是我們想像中的磁感線。

然而，在太陽上，由於太陽赤道上的氣體的自轉遠比兩極附近的氣體快，磁感線就會發生彎曲。隨著太陽不斷地自轉，磁場彎曲得越來越厲害。太陽磁場不能永遠保持扭曲的狀態，在少數磁感線最集中的地方，也就是磁場最強的地方，成束的磁感線開始纏結在一起，捅破太陽表面，伸展到太陽的大氣中，形成磁環。在太陽表面這些磁感線捅出來的地方，就會形成太陽黑子。太陽繼續不斷地自轉，就會有更多的磁環和黑子形成。當該處的磁場變得非常強時，磁環就會吹向太空，這部分磁場連同其中所包含的氣體就會被拋入太陽系空間。

發展

太陽磁場的活動，造成太陽黑子和耀斑爆發，拋射出包含有大量帶電粒子和巨大能量的氣體。這些氣體來到地球附近以後，發展成了對地球造成嚴重影響的太陽風暴。

太陽觀測衛星拍攝的太陽發射的X射線像顯示：明亮區域是太陽大氣中的一些溫度偏高的區域，靠近太陽邊緣的一片亮區是正開始爆發的太陽風暴。其中的熾熱氣體在巨大的能量作用下翻騰。一片亮區大得足以並排著吞下幾十個地球，其中有一個很大的黑子群，是個磁場特彆強的區域……上述亮區已經開始爆發。磁場裹挾著質量達數十億噸的一大團氣體離開太陽。這些熾熱的氣體依靠磁場纏結在一起，噴涌到太陽系空間中，時速幾百萬千米。當這團氣體來到地球附近時，向太空中伸展得很遠的地球磁場會使這團氣體的大部分發生偏轉，保護我們免受太陽風暴的襲擊。

然而，如果太陽風暴迎面襲擊地球，那么太陽風暴所攜帶的磁場會與地球磁場發生衝撞。這種衝撞會產生一種由帶電粒子形成的激波。這種衝撞可持續數小時，使地球磁場發生彎曲和畸變。爆發越強烈，這種畸變就越嚴重。有些來自太陽的帶電粒子可以穿透到地球磁場內很深的地方。

當帶電粒子轟擊地球的時候，受到擠壓的地球磁場可在地球背向太陽一側的遠處形成“短路”，使原來開放的磁感線閉合起來。其結果會造成能量的瞬間釋放，並使得帶電粒子在磁場中向內流，離地球近得多。然而，地球有著另一道防線來抵禦這些入侵的帶電粒子。在地球上空數千千米至2萬千米的大氣層內有幾層輻射帶。太陽風暴吹進來的粒子大多數陷落在這些輻射帶中，形成強大的電流。人造衛星和太空人必須避開這些危險區域。如果這些電流過於強大，一些粒子就會向地球的兩極逃逸。這些粒子衝擊高層大氣中的原子，使它們發出輝光，於是人們就會在夜空中看到奇異的極光。

測報

對一次太陽風暴的強度可以從四個方面進行衡量，即：超高能粒子數量、可以看到極光的緯度、地球磁場變化的幅度、諸如電力中斷或者在此情況下發生的火災等地面事故的數量。研究人員綜合這四個方面的一些測量結果，認為卡林頓事件的強度是1989年3月太陽風暴的2-4倍。

卡林頓事件發生時住在低緯度的人們觀測到了北極光，在離地磁赤道23度處都能看到紅色的輝光。而且，這個記錄一直保持至今。極光能夠伸展到的最低緯度與一次磁暴的強度直接有關。美國噴氣推進實驗室的科學家楚羅塔尼搞了個理論計算模型，計算出1859年卡林頓事件的磁暴不僅僅是有歷史記錄以來最強的磁暴，而且達到了1989年3月的那次事件中磁暴強度的3倍。

對於上述論斷的支持還來自極地的冰核。美國空軍研究實驗室的科學家佩吉·安·希和唐納德·斯馬特考察了1561-1992年格陵蘭的冰核，從中尋找超強太陽風暴留下的痕跡。他們的目的是要測量當時沖入地球大氣高層的超高能粒子轟擊上層大氣中的氮原子，觸發一連串化學反應，產生稱為硝酸鹽的化學物質。這種硝酸鹽被包含在極地的雪中，當這些雪受壓變成冰時就成為一種印記保存了下來。卡林頓事件在冰核中產生了迄今最強烈的這樣的印記，遠比1972年8月的事件更加強烈。

卡林頓事件雖然在強度上遠遠超過了1989年和2003年的兩次強太陽風暴，但是造成的危害並沒有後兩次嚴重。這是因為在那個時候還沒有人造衛星、無線電通信和現代的電力傳輸網路。如果卡林頓事件發生在今天，那么它將會造成更嚴重的災難。它有可能摧毀許多人造衛星，使得依靠這些衛星進行的通信中斷，而且還會破壞許多變電站。

那么，這樣的事件會真的發生嗎？楚羅塔尼毫不猶豫地說：“會的。”然而，究竟什麼時候會發生呢？這是個任何人都無法回答的問題。不過，科學家已經在研究太陽活動預報。如今，科學家建立了太陽活動觀測網，世界各地的太陽觀測站24小時不停地觀測太陽，太空中還有多顆太陽觀測衛星不間斷地對太陽進行多波段的監測。科學家還建立起了太陽活動預報中心和多個區域性預報中心。只要堅持不懈地對太陽進行觀測和理論研究，科學家是可以比較準確地預報太陽活動、尤其是對人類生活影響很大的強太陽風暴的。