不是电影:2013地球很麻烦

邵乐韵 吴晓琳

美国宇航局(NASA)警告,2013年地球可能遭遇强烈的太阳风暴,到时候全球将陷入大停电,网络电子通讯将全部瘫痪。

地表温度越来越高。城市里四处冒烟、起火,纽约上空闪耀的极光仿佛末日的信号。慌乱的人们四处逃散,电视画面时断时有,在“全球危机”的新闻标题下,主持人再三呼吁人们躲到地下庇难……

霎时间,太阳风暴掀起的巨大热浪横扫一切生命和建筑,地球陷入一片火海……好莱坞电影《先知》用这样的视觉冲击“终结”了地球人的命运。

这几年,末日灾难片连连引发恐慌。人类有因气候变暖而“被冻死”的,如《后天》;有因地球磁场颠倒而“被淹死”的,如《2012》;也有超强太阳风暴来袭而“被烧死”的,如《先知》。

当“2012”成为口头禅,2013似乎成为一个新的时间“劫点”——美国宇航局(NASA)警告,2013年地球可能遭遇强烈的太阳风暴,到时候全球将陷入大停电,网络电子通讯将全部瘫痪。如果恶梦成真,人类生活将发生历史性的大倒退——当然,像《先知》这样的末日说,按照中科院地质和地球物理所研究员万卫星的说法,情节“过于荒诞”。

太阳风暴到底多可怕?人类有没有办法进行预测和防范?我国的观日研究处于什么水平?记者就此电话采访了国家重点基础研究发展规划项目(“973”项目)“日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究”首席科学家、国家天文台研究員汪景琇。

太阳“打喷嚏”

太阳黑子是发生在太阳光球层的一种最基本、最明显的太阳活动。我国西汉的《淮南子》中曾记载“日中有踆乌”,观天象者所看到的“三足乌鸦”,其实就是太阳黑子。又有《汉书•五行志》记载:“河平元年,三月己未,日出黄,有黑气,大如钱,居日中。”被认为是世界上最早的有关太阳黑子的记录。太阳磁力线随着太阳的自转而纠缠“打结”,在11年左右的太阳活动周期里,这些磁力线形成为黑子,它们通常比地球大好几倍,能持续数月之久,在太阳黑子周期最高点蓄势待发。

太阳耀斑是太阳色球层的光亮喷发,又叫色球爆发。它是太阳活动中最为剧烈的现象之一,位置在谱斑或光斑附近,且常在黑子群周围。通常,太阳耀斑、日珥爆发、日冕物质抛射等剧烈太阳活动被俗称为“太阳风暴”,科学家形象地称之为太阳“打喷嚏”。

今年6月,在NASA任职20年的太阳物理学部门主管理查德•费希尔(RichardFisher)接受英国媒体采访时说,太阳的磁能每22年会达到高峰,而太阳黑子的数量或耀斑每11年会达到最高值,这两种情况会在2013年同时发生。费希尔形容,一旦出现超级太阳风暴,“对美国而言,可能造成比卡特里娜飓风严重20倍的经济损失。”

太阳风暴发生时会向周围空间输出三种影响:电磁辐射直接影响地球向日面的大气层和电离层,对短波通讯造成干扰;耀斑爆发喷射出的大量高能粒子,会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全;日冕物质抛射,则会引起地球强烈的磁场变化,即磁暴,届时地表电网可能过热,航空运输可能中断,而电子设施、导航装置和主要的卫星可能失去功能。

历史记录中,1859年史称“卡林顿事件”的太阳风暴就是“超级”规模的——太阳表面出现肉眼可见的白光耀斑,并且伴有剧烈的日冕物质抛射。强烈的地磁效应使得刚刚形成的电报网络陷入瘫痪,甚至出现了电报员触电、电报纸自燃的情况。

当时世界主要依靠蒸汽机和肌肉劳力运转,人们对高技术的依赖远不如今天,供电网络没有现在这么密集、规模没有这么大,天上也没有卫星。20世纪至今最强烈的太阳风暴出现在1989年3月,曾使加拿大魁北克省停电9个小时,即便如此,它的强度也只是1859年的1/4左右。

社会发达程度越高,太阳风暴造成的影响也就越大。“卡林顿事件”如果发生在当下,后果不堪设想。科学家的警告,并非危言耸听。

从上世纪90年代中开始,美国就制定了国家空间天气战略计划。NASA在2006——2016战略计划中特别指出,“空间天气对人类的危害越来越明显,因此认识并降低空间天气对人类的危害效应迫在眉睫”。

2009年,美国科学家就太阳风暴的经济和社会影响,向国家科学院递交了一份报告,以提高人们对太阳风暴危害的认识,并倡议政府和私人企业为应对强烈太阳风暴做好准备。

“美国科学家在这方面比较敏锐,他们在评估如果出现1859年这样的太阳风暴会有什么样的后果。这不是写科幻故事,而是相对严谨的科学报告。”汪景琇介绍说,在我国,目前中国科学院国家天文台有一支研究太阳预报的团队,中国科学院空间科学和应用中心有空间天气的研究和预报中心,中国气象局有国家空间天气监测预警中心,国防部门也有相应的研究工作在进行。

现在通过天文观测手段已经能够实现提前3——7天预警,但是预测中长期太阳风暴以及太阳风暴的强度等,还是个世界性的难题。“正因为超级太阳风暴的形成具有很强的突发性和偶然性,所以空基和地基监测必须是稳定可靠和持续不断的。”

到目前为止,人类对太阳黑子数量较为完整的记录积累了23个周期。汪景琇说,现在大多数科学家预测第24个太阳活动周极大期出现在2013年,至于会不会出现“超强太阳风暴”,仍然无法可靠地预报;即使到了太阳周极大年,还要看相关太阳活动是不是对地影响有效(每个太阳活动周期间都会发生数十次强太阳风暴,多数没有直接撞击到地球而已,超级太阳风暴更属于低概率事件),其危害如何,还需要具体讨论和评估。

但即便超级太阳风暴来袭,也并非意味着世界末日来临。普通民众对太阳风暴的恐惧,主要是灾难片所引发的臆想。

虽然太阳风暴爆发时发生的紫外线和X-射线强度可以达到平静时的数十倍甚至数百倍,并抛射出大量的高能带电粒子,但地球是个完美的系统,其熔融核心、自转产生的隐形磁场,能够很好地屏蔽掉大部分高能带电粒子;而且地球稠密的大气层能够吸收大部分的紫外线和X射线,使我们免受辐射损伤。

当然,产生强太阳风暴时,宇航员和跨越极区飞行的乘客可能会受到比较显著的影响。至于美国电影《神奇四侠》中,几名科学家因遭受太阳风暴侵袭而产生基因突变、获得超能力的故事,恐怕也只是银幕上的科幻而已。

我国的观日志

超强太阳风暴和灾害性空间天气是除了洪水、台风和地震以外,人类面对的又一类自然灾害。现在的太阳物理研究已经进入了全波段、全时段的监测阶段。认识太阳活动的发生和演化规律,建立完善的太阳风暴和空间灾害天气监测预报预警系统,是当代中国科学家的一项重要历史使命。

在国家“十五”和“十一五”规划期间,我国科学家先后实施了两个关于太阳风暴和空间灾害天气前沿领域的国家重点基础研究计划项目(973项目)的系列研究。我国自上世纪50年代以来,初步建立了地面日地环境监测网,包括太阳光学和射电观测、地磁观测、电离层观测等。我国科学家创造性发展的太阳磁场望远镜,已系统观测太阳向量磁场20多年,标志着我国太阳物理研究进入国际先进行列。

国家重点基础研究计划项目实施10年来,我国太阳、空间和地球物理科研团队在基础研究上取得了重大成果。例如关于太阳风暴和空间灾害天气的机理研究和预报模型的建立,为神五、神六、神七、嫦娥一号等重大国家空间计划提供了预报服务保障。项目执行期间,相关研究工作得到4次国家自然科学二等奖,发表了近一千篇SCI审稿杂志论文,同时还培养了一支优秀的研究队伍,一大批杰出的青年科学家在成长。今年,第二个国家973项目将要接受国家科技部组织的结题验收。

与发达国家相比,我国的空间预报水平虽然在业务能力方面差距不大,但探测能力还远远落后。

汪景琇介绍,在太阳物理领域,目前国际上比较新的观测卫星项目有三个:美国和欧洲合作的“日地关系天文台”,日本、美国和英国合作的“‘日出太阳观测卫星”,以及美国的“太阳动力学天文台”。

在亚洲,印度也已经有了以太阳探测为目的的卫星。“但非常遗憾的是,至今我们国家仍然没有一个太阳物理观测卫星在天上运行,这与我们的综合国力,与我们国家与日俱增的预测、防范太阳风暴和空间灾害天气危害的需求非常不相称,这是中国太阳物理学家心中的‘痛,也是限制中国太阳物理和空间科学发展的一个瓶颈。”汪景琇说道。

尽管我国已经拥有多种先进的地基太阳观测设备,但地基观测毕竟存在波段、时段和地球大气扰动方面的缺陷,为了实现天基观测的愿望,我国的科学家已经筑梦多年,例如推动近20年的空间太阳望远镜(SST)计划。该计划由国家天文台艾国祥院士等在上世纪90年代初提出。计划中的空间太阳望远镜可能成为我国第一个太空望远镜。直径1米的镜头将使其成为世界上最大的空间太阳光学望远镜,辅以紫外、X射线等多波段的探测设备。将望远镜送入太空后,就可摆脱大氣层的干扰,在优于百公里空间分辨率下和高偏振精度下,观测太阳向量磁场的结构和演化,以及太阳大气的动力学响应,认识太阳活动的机理,从根本上提高空间灾害性天气的预报水平。

与此相呼应的是“夸父计划”,由北京大学涂传诒院士等在2003年提出,意在建立一个从太阳到地球“端到端”的空间天气卫星综合观测系统,提高空间灾害天气预报的准确度。这一计划同样得到了国内太阳和空间物理界的关注和支持,并且在2007年通过国防科工委的相关评审,予以预研立项,现由中国科学院领衔实施,又称为“空间风暴、极光和空间天气”探测计划。“夸父计划”由三颗卫星组成,其中A星设置在距地球150万公里的日地连线上,全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象。另两颗B星在地球极轨飞行,监测太阳活动导致的近地空间环境的变化。

如果说空间太阳望远镜计划将把中国太阳物理研究推向国际最前沿的领域,那么夸父计划则将实现从太阳到近地空间端到端综合监测太阳和空间风暴的目标,两者互补。

汪景琇说:“我们希望在‘十二五期间,以超强太阳风暴及空间灾害天气预测预报为主题的国家重点基础研究计划能够得以立项,让我们把前两期973项目开展的工作继续做下去,把还没有做好的在第三期做得更好,把新的热点前沿问题考虑进来并做起来;希望第三期有更年轻的同事担负重任,为国家的空间安全、社会和谐和国家战略发展做出贡献。”

关注太阳周的异常行为

太阳有时活动异常,有时也比较平静稳定。它的辐射只要改变0.1%——0.2%,就可能造成地球气候的很大改变。汪景琇提醒,其实除了警惕超强太阳风暴,对于太阳活动周的异常行为也要予以特别关注。

持续极小的太阳活动可能引起气候异常——气温降低,地球进入小冰期。比如,从1645到1715年,就有一段被称为“蒙德尔极小期”的时期。整个期间太阳上总共只观测到50个左右的太阳黑子。蒙德尔极小期与小冰期中最冷的一段时间相合。当时的欧洲和北美洲,以及世界上许多地区,冬季尤其寒冷。而在1787——1843年间的道尔顿极小期,伦敦人在圣诞节可在泰晤士河面溜冰。黑子活动的极低和严寒气候的关联,仍是持续受到争辩的题目和非常值得关注的课题。

有一些严肃的学者曾对英国的小麦产量与极低太阳活动的关系进行了研究,发现极低太阳活动时粮食减产,结果小麦价格走高。

汪景琇指出,“太阳周异常行为不像一次超强太阳风暴的短暂影响,而是长期潜在的对气候异常、全球变化的影响,也要加以防范和思考。”我国第二个973项目中也提倡对太阳周的异常行为和可能的影响作研究,注重长期太阳周的预报。

目前,国际学术界正在讨论:第24个太阳活动周是不是一个极强的太阳活动周。

美国科学家曾预报第24个太阳周太阳活动极强。但印度科学院院士Arnab RaiChoudhuri和我国科学院国家天文台姜杰博士等合作,由太阳发电机理论模型,预报第24个太阳活动周比第23周要弱约30%,这一研究成果在《物理评述快报》(Physical Review Letters)主编建议栏目下发表,在国际上引起重大反响。

今年入夏,北半球“极冷点”全都出现高温,是不是与太阳活动水平有关?汪景琇认为:“现在不好说温度太高,只能说不太正常。很可能与第23个太阳周周末期和第24个周初期的超低太阳活动水平有关系——超低的太阳活动水平总会对地球环境产生某类影响,但具体是什么影响、如何影响,又是涉及多学科的更加困难的研究课题。”

链接

日地关系天文台(STEREO)是美国宇航局和约翰•霍普金斯大学联合研制的两颗太阳探测卫星,于2006年发射升空,分别位于地球绕太阳公转的轨道前方和后方,目的是在不同的角度对太阳进行立体观测,拍摄太阳的三维图像,对研究太阳的日冕物质抛射、耀斑的发生发展过程有重要意义。

“日出号”太阳观测卫星(Hinode)是2006年9月由日本宇宙航空研究开发机构发射的,卫星搭载有日本与美国、英国共同开发的可见光磁场望远镜、X射线望远镜、极端紫外线摄像分光装置这三种望远镜。其最大特点是能在非常高的空间分辨率和很高的偏振精度下,观测太阳的磁场结构。Hinode公开的数据为科学家研究太阳磁场和太阳活动的机理提供了极大帮助。

相对前两个卫星,美国的太阳动力学天文台(SDO)则是更具雄心的一个计划。它于今年2月在佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射中心发射,打破了时标以及清晰度的壁垒,可以通过观测太阳的震荡、太阳全日面的速度场等,反演太阳内部的结构——就像用地震学的方法了解地壳结构一样,同时观测太阳全日面向量磁场。SDO还能够每秒钟拍摄一张超高分辨率的太阳照片。该项目科学家认为,SDO在人类认识太阳方面带来的革新将如同哈勃太空望远镜为天体物理学带来的变革。

除此之外,太空中还有一些尚未退役的国际“观日者”,比如美国NASA在1995年发射的太阳与日球天文台(SOHO)——过去15年里,我们看到的多数太空中拍摄的太阳照片便来自SOHO;还有NASA发射的过渡区和日冕探测员(TRACE)、欧洲航太总署(ESA)发射的Cluster卫星群等,都为科学家了解太阳活动和空间天气提供了主要的参考。