太阳风暴对人类生活的意义范文

《科技创业月刊杂志》2015年第四期

1太阳风暴的概念及形成

1．1日地能量传输对于地球而言，太阳是我们的能量之源，地球诞生以来所消耗的能源99％以上都来自于太阳。太阳的能量之大是我们无法想象的，在《太阳风暴》短片中讲到，太阳的能量来自其内部的核聚变反应，这种反应每秒产生的能量比地球诞生以来所消耗的所有能量还多。日常生活中，我们首先感受到的太阳能量就是阳光的照射。由于阳光对地球的直射点在南北回归线之间移动造成地球上的冬夏交替，让我们感受到冬天的寒冷和夏天的炎热。武汉的夏日，烈日当空，站在大太阳下不动都浑身冒汗，但如果能躲进树荫立刻倍感凉爽。武汉的冬天则是天寒地冻，身上裹得像个粽子也抵不住阵阵寒意，但如果能阳光下晒上几分钟，立刻觉得浑身舒坦。仅仅由于阳光对地球直射点的少许变化就造成四季温度的巨大差异，太阳的威力可见一斑。此外，由于阳光对大气的加热在不同季节和不同纬度都不相同，还会造成地球高层大气的全球尺度环流。实际上，阳光除了对地球提供热能，还能造成高层大气的电离进而形成导电层，而正是地球上空的导电层让人类的远程无线电通信成为现实。当然，造成大气电离的阳光并非我们熟悉的可见光，而是远紫外波段和X射线波段的太阳光辐射。我们知道，光其实是一种电磁波，太阳可见光和其他波段的光辐射统称为太阳电磁辐射。太阳在以电磁辐射的形式向地球提供能量的同时，还以另一种形式也在向地球源源不断地提供能量，前文所说的太阳风暴对地球的袭击正是来自后一种形式的巨大能量。

1．2太阳风暴的形成原因

1．2．1太阳风大约100年前，人们发现每次太阳出现大耀斑之后2~3天，地磁场就会发生显著变化，这使人们想到太阳耀斑可能伴随着太阳粒子发射，由于太阳和地球相距大约1亿5千万公里，2~3天的滞后时间表明这种粒子发射的运行速度约为1000km／s，也就是数百万km／h。经过几十年的探索和研究，科学家们终于发现太阳上的这种粒子发射是连续不断的，我们称之为“太阳风”。与地球上我们熟知的风大不相同，太阳风是太阳大气不断向外喷发的带电粒子流，典型速度大约400km／s，也就是144万km／h，最高速度超过500万km／h，而地球上最强的台风速度才几百km／h。太阳每时每刻都在以这种“风”的形式向地球输入能量，但这种能量输入主要发生在极区，然后通过在地球空间的能量释放过程造成全球性的影响，而太阳电磁辐射在向阳面所有纬度都有能量输入。太阳活动平静期，太阳风对地球的能量输入与电磁辐射的能量输入大致相当，但在太阳活动活跃期，太阳风携带的物质和能量显著增强。

1．2．2太阳风暴的表现形式通俗地说，太阳风暴就是太阳表面的大爆炸，大爆炸首先表现为太阳耀斑。一次太阳耀斑爆发的能量可以提供美国数千年电力。耀斑产生增强的电磁辐射，9min就可以到达地球，引起低层大气电离增强和强烈的无线电波吸收，进而导致整个向阳面的的无线电通信中断。1~2h之后，高能粒子到达地球，对太空中的宇航员带来致命伤害，卫星的许多电子器件和太阳能电池板也会造成毁灭性破坏。太阳耀斑能量惊人，却还并非造成1989年3月魁北克大停电的元凶，而只是一场惊人破坏的第一阶段，耀斑就好比开枪后的闪光，造成破坏的是随即而至的子弹，也就是跟随在耀斑之后的日冕物质抛射。一次日冕物质抛射可以携带数十亿t的物质并加速到数百万km／h，其2h内的能量可以提供美国10万年的电力。日冕物质抛射也可以看成是显著增强的太阳风，它向地球输送的大量物质和能量引起地球空间环境的巨大变化，进而对人类活动造成不可估量的灾害，我们称之为地磁暴。地磁暴可以导致强大的地面感应电流，足以摧毁人类的任何大型地面电网，还会造成输油管道的破坏，导致大面积供电中断和石油泄漏，所幸这种强大的地面感应电流只在局部出现，但太阳风暴越强，其可能出现的区域也越广。地磁暴还会强烈改变高层大气的电离属性，造成卫星导航以及飞机或舰船的导航信息达到几公里的误差，甚至造成导航和通信链路的中断。地磁暴造成低层大气加热上升导致卫星轨道高度的大气密度增加，卫星运行阻力增大而掉落失踪，甚至坠毁。1979年7月磁暴期间，美国宇航局的太空实验室就因空气阻力增大逐渐脱离轨道，最终坠落坠毁在印度洋和西澳大利亚上空。

2太阳风暴对人类生活的影响

2．1以往太阳风暴对人类生活造成的显著灾害过去25年里，已有多次太阳风暴对人类活动造成显著灾害性影响。1991年4月的强磁暴造成美国缅因州核电厂发生灾难性破坏；1997年1月的太阳爆发事件使美国AT＆T公司一颗价值2亿美元，设计使用寿命12年的同步轨道通讯卫星仅服务3年就提前报废，损失高达7亿美元；1998年5月的多次太阳爆发事件导致美国银河四号通讯卫星失效和一颗德国科学卫星报废，无数的通信中断造成金融交易陷入混乱；2000年7月14日欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到严重损害，如美欧合作耗资20亿美元的SOHO太阳科学卫星的探测器减寿一年，日本的ASCA卫星失控，AKEBONO卫星的计算机遭到破坏；2003年10月底至1月初的太阳爆发事件产生广泛的影响：瑞典的Sydkraft电力集团报道，北欧上空强烈的地磁诱导电流引起了变压器事故，导致一套系统崩溃及电力供应中断。航空公司在其高纬度航线中采取了从没有过的飞行方式来避开高辐射能级和通信中断区域。航程变更给航空公司的每次飞行增加了10000~100000美元的开支。该太阳风暴被怀疑是导致价值640000000美元的ADEOS－2飞行器损毁。由于此次太阳爆发的高强度和变化性，绝大多数易受空间天气攻击的工业部门在运行过程中都经受了某种程度的影响。1989年3月的太阳风暴虽然是迄今为止对人类活动造成破坏最严重的灾害性空间天气事件，但还并非史上最强的太阳风暴。1859年9月1日早晨，英国天文学家理查德•卡林顿用装着过滤器的望远镜观测太阳表面时，他发现太阳表面喷射出了一道明亮的闪光。然而卡林顿不知道的是，那团明亮的斑点是一团带着电荷的等离子云，它正朝着地球的方向疾速飞来。48小时后，“超级太阳风暴”就袭击了地球，导致热带地区的夜空都能看到极光，这些极光是如此明亮，以至于人们在午夜时分不用点灯都能阅读报纸。“超级太阳风暴”导致当时的许多电报机都瘫痪。这次太阳风暴是有记录以来强度最大的一次，如果用参数来衡量，它所造成的地磁暴强度达到1989年3月地磁暴的3倍。不过在1859年，世界主要还依靠蒸汽机和肌肉劳力在运转，所以当年的“超级太阳风暴”并没有给人类带来过于严重的灾难。

2．2太阳风暴对当今人类生活的影响时至今日，人类生活变得越来越复杂，更拥有前所未有的先进科技，但科技给人类带来的方便和自由在太阳风暴来袭时恰恰成为我们的弱点。如果再发生一次和1859年同样级别的太阳风暴，虽然生命不会受到威胁，但地球上所有依赖电力的设施和系统都可能受到毁灭性打击。回到本文的开始，美国科学院预计的超强太阳风暴在2012年并未出现，这种预计的依据是什么？要回答这个问题，我们首先需要了解太阳活动的特点。科学家们发现，太阳活动呈现11年的周期，大约每11年达到一次太阳活动峰值，在太阳活动峰年期间容易发生强太阳风暴。这种太阳活动周期的另一个特点是如果前一个太阳活动周的下降期特别长，下一个太阳活动周的上升期可能特别短，可能达到的峰值也异常大。1859年的超级太阳风暴正是发生在这种情况。2009年也是类似，上一个太阳活动周的下降期按趋势应该在2007－2008年结束，并开始新一轮活动周的上升期，但直到2009年，新一轮太阳活动仍未有上升的迹象，这与1859年前后的太阳活动特征很相似，因此科学家们警告在新一轮太阳活动峰年，也就是2012年可能发生前所未有的超级太阳风暴。

3结语

虽然2012年预言并未成真，人类这次躲过一劫，但在不久的将来是否会出现和1859年同样级别甚至更强的太阳风暴呢？如果真的来袭，人类又该如何应对呢？专家指出，要应对太阳风暴，首先需要提高对太阳活动的预报能力，其次需要了解太阳风暴可能给地球带来的影响。近30年来，越来越多的天文望远镜和成像仪等高科技观测设备被用于太阳表面的监测和研究，人们对太阳耀斑、日冕物质抛射等太阳活动特征的了解日益深入，对太阳爆发事件的预测能力越来越强，但由于缺乏对太阳内部物理过程的观测，太阳活动的物理本质仍然难以深入理解。另一方面，人类对地球空间环境的认识也日益完善，但仍有很多现象难以解释其物理本质。

作者：刘仁宇单位：武汉大学附属中学高三3班