【环时科技观察】太阳风暴对地球影响有多大？

来源：环球时报

太阳接连爆发强耀斑

国家空间天气监测预警中心5月10日通报称，过去24小时，太阳活动水平高，共爆发了2次X级耀斑和11次M级耀斑。其中9日17时13分太阳爆发的X2.2级强耀斑对我国西部部分地区上空电离层产生影响。预计未来3天内，太阳活动水平中等到高，可能爆发M级甚至X级耀斑并出现不同级别的地磁暴。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）10日也警告称，当前太阳活动达到高峰期，表面最活跃的区域已产生多次M级和X级耀斑，由此导致的日冕物质抛射将于5月10日晚至5月11日初抵达地球。

据介绍，太阳耀斑作为太阳表面的强烈能量喷发，由弱到强分为A、B、C、M、X五个级别。《环球时报》记者注意到，5月以来太阳已经出现多次强耀斑。5月3日10时22分，爆发了5月第一次强耀斑（X1.6级）。5月5日又爆发了两次太阳耀斑：一次是14时01分，属于强耀斑（X1.3级）；另一次是19时54分，也是强耀斑（X1.2级）。5月6日14时35分，更大强度的太阳耀斑爆发，达到X4.5级。

太阳耀斑是太阳上最剧烈的活动现象之一，表现为太阳表面突然出现迅速发展的亮斑闪耀，同时释放出巨大能量。虽然太阳耀斑的寿命仅在几分钟到几十分钟之间，但释放的能量却相当于十万甚至百万次强火山爆发的总能量，或相当于上百亿枚百吨级氢弹爆炸。太阳耀斑爆发时还可能伴随太阳质子事件和日冕物质抛射，从而引发地磁暴。当大量高能粒子到达地球附近时，可能会毁坏地球轨道上的卫星，威胁宇航员生命安全；日冕物质抛射到达地球附近时，会引起地球磁场扰动甚至地磁暴，对长距离输电网和输油管线产生影响，还会引起中高层大气受热膨胀，大气密度突然升高，增加卫星飞行阻力，影响卫星发射活动，尤其对低轨卫星的影响更大。

NOAA表示，当前太阳耀斑频发主要与今年是太阳活动的高峰期有关。在过去的300年中，根据太阳表面黑子数量的变化规律，科学家总结出太阳活动11年的周期。每个太阳活动周期大约有100多个X级耀斑，而在太阳活动峰年，X级耀斑爆发更为频繁，每年大约有10至20个。

还有大量未解之谜

科学家到现在都没有确认，太阳活动11年的周期到底是什么原因引起的。太阳黑子数增多时，太阳表面上其他各种活动现象（如光斑、谱斑、日珥、暗条、耀斑以及日冕物质抛射等）也增强，黑子数可以代表某一时期太阳活动的整体水平。自1700年以来的观测数据表明，太阳黑子的平均周期为11.1年，最短为9年，最长为13.6年。在太阳活动周期开始时，太阳黑子往往首先出现在中纬度地区，随着太阳周期的继续，它们越来越靠近赤道。但到底太阳活动为什么会以11年为周期？科学界并没有公认的结论。

事实上，尽管太阳直接关系地球生态圈的存亡，但目前人类对于太阳的了解还非常少。美国《福布斯》网站此前就列举了太阳的各种未解之谜。太阳的能源来自太阳内部进行的核聚变反应。由于太阳的核心物质的密集以及太阳尺度非常大，所以在日核产生的能量需要经历无数次的吸收和再发射，经过数十万年才能到达太阳表面。太阳大气层结构由内到外可分为光球层、色球层和日冕。其中最外层的日冕位于太阳表面上方，距产生热源的日核最远，但它的温度可能高达100万摄氏度，远高于色球层的平均6000摄氏度，为何会出现这种情况？这是笼罩在太阳头上的一层“神秘面纱”。美国新墨西哥州立大学太阳物理学家杰森·杰基维茨说，太阳表面提供了足够多的能量，使日冕保持高温，但这种加热需要能量以某种方式沉积在日冕区域，然而，外层日冕本身非常脆弱，科学家一直对日冕如何贮藏这么多热量感到困惑不已。

其次，太阳黑子、耀斑、日冕物质抛射等各种太阳爆发活动都与太阳磁场有关。但太阳磁场到底是怎么来的，目前也没有定论。科学家猜测，太阳磁场可能与太阳内部的等离子体运动有关。杰基维茨表示，太阳是气态天体，不像地球这种固态天体那样以相同的固定速度旋转。太阳赤道大约每25天旋转一次，极地每30-32天旋转一次。太阳表面之下的不同层也以不同速度旋转。杰基维茨说，太阳表面之下约5万公里的地方旋转速度比表面快，但如果进入太阳再深入一点的地方，旋转速度会再次减慢。

此外，太阳的确切成分也有待研究。杰基维茨表示，太阳是银河系内千亿颗恒星以及其他星系内数万亿颗恒星的参考。“我们知道构成太阳的所有元素，但我们不知道它们的相对丰度，因此太阳的化学成分仍存在争议。这是很难测量的——即使对距离我们最近的恒星来说也是如此。”他总结说：“公平地说，我们非常了解太阳的质量、年龄、大小和总辐照度。我们知道它是如何演化成今天的‘模样’，也知道它未来的命运。但我们对它的深层内部结构、磁场、周期变化和狂暴的喷射事件仍然知之甚少。”

研究太阳活动有这些手段

为何各国科学家要对太阳展开研究？欧空局网站介绍说，科学界将太阳活动引起的日地空间环境变化称为“空间天气”，随着高科技发展，空间天气对于我们的日常生活乃至地球生命都有很大影响。

例如地磁暴期间，地球磁场的剧烈变化还会导致空间电场的变化，产生异常电压，导致长距离的导电管网产生上万伏特的高压。大量带电粒子流同地球高层大气发生相互作用，也会使电离层出现剧烈变化，导致电离层暴发生。在电离层暴期间，各种依赖无线电的技术手段均会受到不同程度的影响，例如短波通讯可能完全中断，导航定位完全失败等。此外，太阳喷射的高能质子还威胁着地球磁场和大气层外的宇航员和航天器的安全，可能使卫星上的电子元器件失效。例如2022年美国太空探索技术公司表示，太阳风暴导致该公司新发射的49颗“星链”卫星中的至少40颗失效。这被认为是单次太阳活动造成的最大规模卫星损失。

有记录以来最大规模的太阳风暴发生在1859年。当年9月1日，全球多地天文台都测量到了地磁场强度的剧烈变动，各地电报局电报机开始闪火花，甚至电线也被熔化了。幸运的是，当时还没有人造卫星、无线电通信和现代的电力传输网络，因此这次太阳风暴的影响并没有那么大。但1989年3月13日的太阳风暴所引发的后果就严重得多了。加拿大和美国发生大面积电力系统崩溃，澳大利亚输油管道受损，日本和美国的多颗卫星出现异常。2003年10月26日到11月4日太阳上爆发了一系列强烈耀斑，被称为“万圣节风暴”。除了大量卫星和航天器受损外，全球定位系统的精度也受到影响，导致部分地区的航班瘫痪。

随着人类对空间开发与利用的规模加剧和程度加深，人类的日常生活越来越依赖于无线通信、卫星通信、卫星电视、卫星导航定位等卫星高技术系统，太阳风暴的影响也越来越大。据统计，灾害性空间天气是卫星在轨故障的主要原因之一，国际上和我国卫星异常或故障近1/3是由变化的空间天气造成的，我国卫星在轨发生的问题有50％与空间天气有关。

为了研究太阳活动的规律、争取更早地展开预测，各国科学家想尽了办法。美国、欧洲和中国都建造了专门的地面太阳观察望远镜。今年1月，青海冷湖天文观测基地宣布，世界首台“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”已实现了对太阳磁场从“间接测量”到“直接测量”的跨越。配备4.2米镜片的欧洲太阳望远镜计划于2029年投入使用，它将有望解释耀斑和日冕物质抛射的原理。

在地面观测太阳容易受到其他因素的干扰，近年来各国科学家也开始推进太阳探测卫星。例如美国2018年发射了“帕克”太阳探测器，凭借专门设计的隔热罩，它于2021年成功穿过太阳外层大气，并对其进行了粒子和磁场采样，这也是人类探测器首次成功进入太阳大气。按照计划，“帕克”太阳探测器还将于今年12月逼近至距离太阳表面约616万公里处的极限距离。欧空局2020年发射的“太阳轨道飞行器”将借助金星和地球引力“荡出”地球等行星绕太阳公转的黄道面，首次从“上方”俯视太阳两极，这里是太阳磁场产生的关键区域，对精确建模以预测空间天气至关重要，进而有望破解太阳活动11年周期之谜。中国于2021年10月14日发射了我国首颗探日卫星“羲和”号，并已取得了一系列成果。目前“羲和二号”日地L5太阳探测工程也正在论证中。（环球时报特约记者 晨阳）