基本介紹
- 中文名：太陽風暴
- 外文名：Solar storm
- 由來：太陽爆發活動引發的空間環境擾動
- 特點：周期性、突發性、地域性
- 危害：影響人類技術系統的正常運行
- 強度等級：強、中等、弱太陽風暴
- 耀斑：太陽電磁輻射突然增強的一種表現
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風暴由來
太陽爆發活動是太陽風暴的起源，它常常表現為兩種現象，一種是人類很早就觀測到的耀斑，一種是太陽爆發活動引起的各類地球空間環境擾動。
耀斑
耀斑是太陽電磁輻射突然增強的一種表現，在太陽觀測圖片上，耀斑常常表現為某區域的突然增亮。另外一種是較晚才觀測到的日冕物質拋射，它是太陽上一團帶有磁場的電漿，脫離太陽束縛，向外拋出的現象。耀斑和日冕物質拋射不一定同時出現，它們發生時也可能會噴射出大量的高能帶電粒子，這些粒子主要是質子。增強的電磁輻射、高能帶電粒子和快速電漿雲是太陽爆發活動噴射的主要能量和物質。
太陽活動爆發
太陽活動爆發地球環境擾動
當太陽爆發的物質和能量朝向地球時，就可能引起地球空間環境的擾動，進而影響人類活動。不同太陽爆發活動到達地球空間的時間也不一樣。耀斑爆發時增強的地磁輻射以光速到達地球空間，時間只需約8分鐘，它主要引起電離層突然騷擾，影響短波通信環境。高能帶電粒子到達地球空間時間緩慢，約幾十分鐘，一方面它引起極區電離層電子密度增加，產生電波極蓋吸收事件，另一方面它會直接轟擊太空飛行器，給太空飛行器帶來輻射損傷等多種影響。日冕物質拋射的快速電漿雲需要大約1天~4天的時間才能到達地球，它首先與地球的磁層發生相互作用，引起地球磁場變化，產生地磁暴，隨後引發地球空間高能電子暴、熱電漿注入、電離層暴、高層大氣密度增加等多種空間環境擾動事件，對衛星運行、導航通信和地面系統產生一系列的影響。把太陽爆發中增強的電磁輻射、高能帶電粒子、快速電漿雲先後對地球空間環境造成影響的過程形象的稱之為三輪“攻擊”。
極光
人類肉眼能看到颶風的到來，卻無法察覺太陽風暴的來臨。當太陽爆發的物質和能量在廣袤無垠的行星際空間中無影無形地擴散傳播，人類只能通過專門的探測儀器，才能感知太陽風暴的到來。唯一能用肉眼看到的太陽風暴現象是絢麗多姿的極光。
美麗的極光
美麗的極光風暴特點
科學家通過對太陽活動和近地空間環境的檢測和研究，逐漸了解到太陽風暴的一些特點和規律，最為突出的是太陽風暴的周期性、突發性和地域性。
周期性
太陽風暴的周期性主要表現在太陽活動水平的周期變化上。太陽活動水平具有11年左右的周期變化特徵，有太陽活動高年和低年之分，從黑子數的多寡以及太陽10.7厘米射電流量的變化，就能很容易看出太陽活動的這種周期變化。
太陽風暴的周期性變化
太陽風暴的周期性變化通常在太陽高年，太陽爆發活動較多，太陽風暴發生頻次較高，強度大。相反，在太陽活動低年，太陽爆發活動少，太陽風暴發生頻次低，強度相對較弱。
對於太陽黑子數，人類已經有23個太陽活動周期的完整記錄。第24太陽活動周起始於2008年12月，當前正處於太陽活動高年階段。
突發性
太陽風暴的周期性是一種長期統計規律。對於某次太陽爆發活動事件而言，其具體發生時間和爆發強度很難準確預報。相對於人類目前的認識水平，太陽風暴的發生具有很強的隨機性和突發性，類似目前人類雖然知道地球上有一些地震活躍帶，但卻無法準確預測某次地震發生的時間和強度。
雖然太陽爆發活動具有很強的突發性，但人類對它的影響並不是束手無策。由於地球空間環境擾動大部分發生在太陽爆發幾十分鐘至幾十小時之後，我們可以通過對太陽活動和地球空間環境的監測來分析預測太陽爆發引起的地球空間環境擾動的發生和發展。
地域性
太陽爆發引起的某種空間環境擾動，在地球空間中的不同位置，回響程度有所不同。這一方面是由地球空間環境自身的複雜變化規律決定的，另一方面也與太陽直接照射的區域不同有關。
風暴危害
隨著科技的進步和信息化水平的不斷提高，太陽風暴的影響和危害日益凸顯。同時由於人類各種技術系統之間的關係日益錯綜複雜，太陽風暴影響的範圍更加廣泛，影響程度也不斷加劇。太陽風暴對地球的三輪攻擊會給人類的技術系統帶來多種影響和危害。按照技術系統分類，太陽風暴的影響主要有對衛星、無線電通信和地面技術系統三個方面的影響。
太陽風暴的危害
太陽風暴的危害影響衛星安全
太陽爆發所噴射的高能帶電粒子到達地球附近後，使在軌衛星遭遇的高能帶電粒子急劇增加。這些高能帶電粒子具有極高的能量，能穿透衛星外殼，給衛星平台和攜帶的有效載荷帶來多種輻射效應。可能引起微電子器件邏輯錯誤，造成程式混亂，嚴重時可能造成器件內部短路、擊穿；也可能引起材料性能衰退，成像系統噪聲增加，太陽能電池效率降低。同時，高能帶電粒子還可能對太空人造成輻射傷害。地磁暴期間，可能引起衛星的充/放電現象，放電脈衝可能幹擾、破壞電子元器件的正常運行；高層大氣密度增加會改變地軌道衛星的運行姿態和軌道高度等。如果不對衛星進行合理的防護設計和科學的在軌管理，太陽風暴可能對衛星造成巨大影響，嚴重時甚至能導致整星失效。
自1957年人類進入太空以來，曾多次經歷衛星運行受太陽風暴影響的事例。太陽風暴導致衛星失效的事情也不乏其數。2000年的巴士底太陽風暴（因發生在法國大革命攻占巴士底獄的紀念日而得名），使多顆衛星發生故障，一顆衛星失效。例如，美國地球靜止軌道環境業務衛星GOES-10大於2兆電子伏的電子感測器發生故障，導致近兩天的數據沒有傳輸；美國先進成分探測衛星（ACE）的一些感測器發生了臨時性故障；美國太陽與日球層觀測衛星（SOHO）的太陽能電池板輸出永久性退化，衛星減壽一年；美國“風”衛星（WIND）的主要傳輸功率有25%永久丟失；日本黎明試驗型X射線觀測衛星（AKEBONO）的計算機遭到破壞。日本的宇宙學和天體物理高新衛星（ASCA）是1993年發射的一顆X射線天文衛星，因這次事件而失去高度定位，導致太陽能電池板錯位而不能發電，於2001年3月墜入地球大氣層。
影響通信導航
在太陽爆發活動對地球的三輪攻擊中，都會引起電離層的分層結構混亂，從而干擾原本正常工作的無線電通信。因此，只要發生太陽風暴，就會影響到人類的無線電通信。電離層擾動使短波無線電信號被部分或全部吸收，從而導致信號衰落或中斷；使衛星導航定位系統的精度下降，嚴重時甚至造成導航接收機失效，無法提供導航信息；使衛星通信的信噪比下降，誤碼率上升，通信質量下降，嚴重時可能造成衛星通信鏈路中斷。
太陽風暴干擾無線電通信的事例屢見不鮮。同樣在2000年的巴士底太陽風暴中，7月14日的大太陽耀斑引起我國北京、蘭州、拉薩和烏魯木齊等地的電波觀測站的短波無線電全部中斷。2006年12月初連續爆發的太陽耀斑對我國的短波無線電信號傳播造成嚴重影響，短波通信、廣播等電子信息系統發生大面積中斷或受到較長時間的嚴重干擾。12月13日台北時間10時40分前後，太陽又爆發一次大耀斑，廣州、海南、重慶等電波觀測站的短波探測信號從10時20分左右起發生全波段中斷，直至11時15分以後才逐步出現信號，13時30分以後基本恢復正常。
影響地面技術
太陽爆發活動對地球的第三輪攻擊會引起地磁暴，地球磁場的劇烈變化在地球表面誘生地磁感應電流，這種附加電流會使電網中的變壓器受損或者燒毀，造成停電事故。由於太陽風暴的襲擊，燈火通明的城市90秒內將變成一片漆黑，這就是所謂的“90秒災難”。此外，地磁感應電流還可能對長距離管線系統產生腐蝕，造成泄漏，影響石油、電纜等管線系統的正常運行。
在現代社會，電力已經成為人類生產生活不可或缺的部分。當太陽風暴來襲時，不僅電力系統本身將可能遭到重創，所有依賴電力的套用系統都將不堪一擊，進而造成更加嚴重的經濟損失。1989年3月的強太陽風暴曾使加拿大魁北克地區在寒冷的冬夜停電9小時，引起了國際社會的震驚和對太陽風暴的廣泛關注，這次事件是有關太陽風暴危害中引用最多的一次事件。正是由於太陽風暴存在諸多危害，而且威力遠遠超過人類製造的任何武器，有科學家形象地將它稱為來自自然界的“太空武器”。
科普：太陽風暴對人類健康有影響嗎？
首先可以肯定的是，由於地球擁有磁場和稠密大氣層的雙重保護，地球上的環境要遠遠優於太空環境，各種有害射線和高能輻射都被阻擋在地球的大氣層以外，太陽風暴對地球形成的三輪攻擊也大多被地球磁層和大氣層化解。太陽風暴應該不會對人類健康形成直接嚴重的影響。近年來，也有一些統計研究指出，太陽風暴與一些傳染病、心血管疾病的發病率存在一定的相關性。但太陽風暴對人類健康會產生多大影響，影響機理是什麼，都尚無科學結論。
警報級別
在日常生活中，人們已經習慣於利用天氣預報信息來指導每天的穿衣出行，遇到惡劣天氣狀況時，還會關注氣象台發布的各類氣象警報，例如高溫橙色警報、黃色警報和藍色警報等。不同顏色的警報等級輔助人們判斷災害的嚴重性和緊急程度。太陽風暴作為一種災害性空間天氣事件，也可大致分為三級，分別以紅色、橙色和黃色對應強、中等和弱太陽風暴警報。
我們主要依據太陽爆發活動的強度來衡量太陽風暴的強弱。太陽爆發活動通過增強的電磁輻射、高能帶電粒子流和高速電漿雲等三種形式來釋放能量，可以根據它們的強度、發生頻次及危害程度來進行太陽風暴等級劃分。
太陽風暴等級 | 事件類型 | 指標範圍 | 可能的影響和危害 |
強太陽風暴 （紅色警報） | 強X射線耀斑 | 射線流量≥10­-3 | 通信：向陽面大部分地區的短波無線電通信中斷1小時~2小時，信號消失；低頻導航信號中斷1小時~2小時，對向陽面衛星導航產生小的干擾 |
強質子事件 | 質子通量≥103 | 衛星：衛星電子器件程式混亂，成像系統噪音增加，太陽能電池效率降低，甚至更嚴重； 通信：通過極區的短波無線電通信收到影響，導航出現誤差； 其他：太空人輻射危害增加，極區高空飛機乘客可受到輻射傷害 | |
強地磁暴 | 地磁指數KP=9 | 衛星：可能發生嚴重的表面充電；難以定向和跟蹤； 通信：許多區域短波通信中斷1天~2天，低頻導航系統可能失靈幾小時； 電力：電網系統發生電壓控制問題，保護系統也會出現問題，變壓器可能受到傷害 | |
中等太陽風暴 （橙色警報） | 中等X射線耀斑 | 10-3>射線流量≥10-4 | 通信：短波無線電通信大面積受到影響，向陽面信號損失約1小時，低頻無線電導航信號強度衰減約1小時 |
中等質子事件 | 103>質子通量≥102 | 衛星：電子器件可能出現邏輯錯誤； 通信：通過極區的短波無線電傳播有一些影響，在極蓋位置的導航受到影響 | |
中等地磁暴 | 9>KP≥7 | 衛星：可能發生表面充電，跟蹤出現問題，需要對衛星的定向進行矯正； 通信：衛星導航、低頻無線電導航和短波無線電傳播可能會斷斷續續也會出現問題 | |
弱太陽風暴 （黃色警報） | 弱X射線耀斑 | 10-4>射線流量≥10-5 | 通信：向陽面短波信號強度衰減較小，低頻導航信號強度短時衰減 |
弱質子事件 | 102>質子通量≥10 | 通信：對極區短波無線電通信有一些影響 | |
弱地磁暴 | 7>KP≥5 | 衛星：衛星操作可能有小的影響，或需要有地面發出指令對衛星的定向進行矯正，大氣阻力增加影響軌道預報； 電力：電力系統可能出現電壓不穩 | |
註：射線流量單位：瓦/米2，質子通量單位：個/（厘米2·秒·球面度） | |||
歷史記錄
超強太陽風暴——卡林頓事件
1859年9月1日早晨，英國天文愛好者卡林頓在觀測太陽黑子時，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，並且在這個黑子群的附近正形成一對明亮的月牙形的東西。另一位英國天文愛好者霍奇森也看到了這次太陽爆發。他們先後向英國皇家天文學會報告了觀測結果。之後，9月2日，地磁觀測站檢測到了強烈的地磁擾動，卡林頓認為這與他觀測到的現象有關，但當時的科學家不相信這一結論，卡林頓就此感嘆到“One swallow does not make a summer”(一燕不成夏)。由於之前8月28日也發生了強烈地磁擾動，所以後來人們把這連續兩次事件統稱為“卡林頓事件”。
在卡林頓事件發生期間，觀測技術還不夠成熟，空間環境擾動監測數據也不夠全面。但事後人們從高能粒子數量、極光範圍、地磁擾動和造成的危害這幾個方面還是可以推斷出卡林頓事件是歷史上最強的太陽風暴。
