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翻譯：鐘藝校對(duì)：費(fèi)思敏編排：田藝婷后臺(tái)：李鳴晨原文鏈接：https://www.space.com/solar-storm-power-grid-internet-blackout

太陽(yáng)粒子撞擊地球的高層大氣會(huì)很美麗，但太多則可能是災(zāi)難性的。 Image credit: Svein-Magne Tunli-tunliweb. no/ Wikim-edia, CC BY-NC-SA

1859年9月1日至2日，世界各地的電報(bào)系統(tǒng)發(fā)生了災(zāi)難性的故障： 電報(bào)操作員報(bào)告說(shuō)遭到了電擊、電報(bào)紙著火、并且居然能夠在電源斷開(kāi)的情況下操作設(shè)備。而到了夜晚，靠近赤道的哥倫比亞以南地區(qū)居然都能看到極光。眾所周知這種光只有在高緯度地區(qū)才可見(jiàn)，如在加拿大北部、斯堪的納維亞和西伯利亞地區(qū)。

這一天，天文學(xué)家理查德·卡林頓恰巧在觀測(cè)太陽(yáng)黑子簇時(shí)目睹了該區(qū)域爆發(fā)出明亮的閃光，日冕物質(zhì)在17小時(shí)后襲擊地球，造成如上所述的卡靈頓事件，而它本質(zhì)是一個(gè)巨大的地磁暴。當(dāng)充滿著等離子體的大泡泡從太陽(yáng)表面噴射到地球上時(shí)，這些磁暴就會(huì)發(fā)生。 這個(gè)泡又被稱為日冕物質(zhì)拋射。美國(guó)NASA戈達(dá)德太空飛行中心對(duì)1859年卡林頓事件所做的地球磁場(chǎng)模型

日冕物質(zhì)拋射的等離子體由一團(tuán)質(zhì)子和電子組成，它們是帶電粒子。 當(dāng)這些粒子到達(dá)地球時(shí)，它們會(huì)與地球周圍的磁場(chǎng)相互作用。 這種相互作用導(dǎo)致磁場(chǎng)扭曲并減弱，進(jìn)一步又導(dǎo)致了北極光和其他奇怪的自然現(xiàn)象。

01

地 磁 暴

1859年的卡靈頓事件是地磁暴的最完整記錄，但它并不是唯一記錄。

地磁暴自19世紀(jì)初就有記錄，來(lái)自南極冰芯樣本的科學(xué)數(shù)據(jù)表明，公元774年左右發(fā)生了一次更大規(guī)模的地磁暴，現(xiàn)在被稱為三宅事件（以日本研究員三宅芙沙名字命名）。 那次太陽(yáng)耀斑產(chǎn)生了有記錄以來(lái)最大、最快的碳-14上升。 地磁暴在地球上層大氣中引發(fā)大量宇宙射線，進(jìn)而產(chǎn)生碳-14，這是一種碳的放射性同位素。

一個(gè)強(qiáng)度比三宅事件小60%的地磁暴發(fā)生在公元993年左右。 冰芯樣本顯示，與三宅事件和卡靈頓事件強(qiáng)度相似的大規(guī)模地磁暴平均每500年發(fā)生一次 。

如今，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局使用地磁暴量表來(lái)測(cè)量這些太陽(yáng)爆發(fā)的強(qiáng)度。 “G量表”的等級(jí)從1到5,G1為次要等級(jí)，G5為極端等級(jí)。 卡靈頓事件被評(píng)為G5級(jí)。

當(dāng)你把卡靈頓事件和三宅事件相比較時(shí)，情況則更為駭人聽(tīng)聞了。 科學(xué)家們能夠根據(jù)當(dāng)時(shí)天文臺(tái)記錄的地球磁場(chǎng)的波動(dòng)來(lái)估計(jì)卡靈頓事件的強(qiáng)度，但沒(méi)有辦法測(cè)量三宅事件的磁場(chǎng)波動(dòng)。因此，科學(xué)家們測(cè)量了卡林頓事件時(shí)期樹(shù)木年輪中碳-14含量的增加值。三宅事件導(dǎo)致碳-14含量增加了12%。 相比之下，卡靈頓事件中增加的碳-14含量不到1%，所以三宅事件很可能比G5級(jí)的卡靈頓事件有過(guò)之而無(wú)不及。

02

電 網(wǎng) 破 壞

現(xiàn)今如果發(fā)生一場(chǎng)與卡靈頓事件強(qiáng)度相同的地磁暴，其所影響的遠(yuǎn)不止電話線，極有可能造成災(zāi)難性后果。隨著對(duì)電力和新興技術(shù)的日益依賴，任何破壞都可能導(dǎo)致無(wú)可估量的經(jīng)濟(jì)損失并直接威脅依賴于這些系統(tǒng)的生命。磁暴會(huì)影響人們每天使用的大部分電力系統(tǒng)。 地磁暴產(chǎn)生的感應(yīng)電流可能超過(guò)100安培，經(jīng)過(guò)電網(wǎng)流入連接到電網(wǎng)的電氣元件，如變壓器、繼電器和傳感器。100安培相當(dāng)于為家庭提供電力的電流強(qiáng)度，因此這些額外的感應(yīng)電流會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)組件內(nèi)部損壞，進(jìn)而導(dǎo)致大規(guī)模停電。

1989年3月，加拿大魁北克發(fā)生了一場(chǎng)比卡靈頓事件強(qiáng)度小三分之二的地磁暴，導(dǎo)致魁北克水電電網(wǎng)崩潰。在這次磁暴中，高磁感應(yīng)電流損壞了新澤西州的一個(gè)變壓器，并觸發(fā)了電網(wǎng)的斷路器，導(dǎo)致500萬(wàn)人斷電9個(gè)小時(shí)。

03

通 信 受 阻

除了電力故障之外，全球范圍內(nèi)的通信也將遭到破壞。 互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)可能會(huì)產(chǎn)生故障，進(jìn)而導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間無(wú)法相互通信， 諸如地對(duì)空、短波和船對(duì)岸無(wú)線電等高頻通信系統(tǒng)將受到干擾。在地球軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星可能會(huì)因地磁暴產(chǎn)生的感應(yīng)電流燒毀它們的電路板而受損，基于衛(wèi)星的電話、互聯(lián)網(wǎng)、廣播和電視將會(huì)因此中斷。

此外，隨著地磁暴襲擊地球，太陽(yáng)活動(dòng)的增加導(dǎo)致大氣向外擴(kuò)張。 這種膨脹改變了衛(wèi)星運(yùn)行的大氣密度。 高密度的大氣會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生阻力，使其減速。 如果不把衛(wèi)星調(diào)到更高的軌道，它們就會(huì)掉回地球。

另一個(gè)可能影響日常生活的領(lǐng)域是導(dǎo)航系統(tǒng)。 幾乎所有的交通工具，從汽車到飛機(jī)，都使用GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航和跟蹤。 甚至像手機(jī)、智能手表和跟蹤標(biāo)簽這樣的手持設(shè)備也依賴于導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的定位信號(hào)。 軍事系統(tǒng)也嚴(yán)重依賴導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)調(diào)。 部分軍事探測(cè)系統(tǒng)，如超視距雷達(dá)和潛艇探測(cè)系統(tǒng)可能會(huì)中斷，這將影響國(guó)防安全。

就互聯(lián)網(wǎng)而言， 卡林頓事件同等規(guī)模的磁暴可能在海底和陸地電纜產(chǎn)生感應(yīng)電流，而這些電纜正是信息時(shí)代的骨干所在，它聯(lián)結(jié)著世界各地的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心則存儲(chǔ)和處理從電子郵件和短信到科學(xué)數(shù)據(jù)集和人工智能工具的信息。 這一時(shí)間可能會(huì)破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并阻止服務(wù)器相互連接。

04

下 一 次 危 機(jī) 只 是 時(shí) 間 問(wèn) 題

地球再次遭受地磁暴的襲擊只是時(shí)間問(wèn)題。 和卡靈頓事件同等規(guī)模的磁暴將對(duì)全球的電力和通信系統(tǒng)造成極大的破壞，供電中斷將持續(xù)數(shù)周。 如果磁暴的規(guī)模和三宅事件一樣大，那么將是世界的災(zāi)難，供電中斷可能會(huì)持續(xù)數(shù)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間。 即使發(fā)布了空間天氣預(yù)警，全世界也只有幾分鐘到幾小時(shí)的時(shí)間可以應(yīng)對(duì)。

2017 年 9 月 6 日，太陽(yáng)發(fā)出了強(qiáng)大的 X 級(jí)太陽(yáng)耀斑——這是為最強(qiáng)烈的耀斑保留的名稱。在美國(guó)宇航局的軌道太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)捕捉到的紫外線中，這次耀斑是多年來(lái)最強(qiáng)烈的耀斑之一。

繼續(xù)研究如何保護(hù)電力系統(tǒng)免受地磁暴的影響至關(guān)重要, 例如通過(guò)安裝一些設(shè)施來(lái)保護(hù)易受影響的設(shè)備（譬如變壓器），制定一些在太陽(yáng)風(fēng)暴即將來(lái)襲時(shí)調(diào)整網(wǎng)格負(fù)載的策略。 簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)在重要的是努力減少下一次卡靈頓事件帶來(lái)的干擾。

責(zé)任編輯：王延昕牧夫新媒體編輯部

Exploring the AntennaeImage Credit & Copyright: Dietmar Hager, Eric Benson

標(biāo)簽： 太陽(yáng)風(fēng)暴