聚焦太阳风暴和地磁暴

史晨

2024年3月23日，太陽爆发X1.1级耀斑还发生了日冕物质抛射事件，随后引发特大地磁暴使得我国多地见到清晰极光。那么，太阳活动跟地磁暴对人类有哪些影响？是如何产生的？怎样防范呢？

太阳风暴的产生

太阳是一颗主要由炽热等离子体构成的恒星。基于太阳不同区域自转速度的差异以及内部复杂的物质流动、膨胀收缩等因素，使得导电的等离子体产生了千变万化的电磁场。太阳黑子就是太阳表面磁场特别强的区域，其磁场比地球两极的地磁场强好几千倍。众所周知，太阳黑子越多太阳就越活跃。那些磁场极其复杂，不断变化、交联，在运动中如同橡皮筋一样悄然储存能量然后有规律地爆发释放出来形成太阳爆发。这些磁场储存的能量会以多种方式释放，例如太阳耀斑爆发中以包括无线电、红外、可见光、紫外线、X射线、伽马射线等电磁波辐射的方式释放，看起来局部闪耀亮度猛增并由此得名。还有猛烈抛射大量物质到太空也就是日冕物质抛射，以及加速质子和电子等粒子发射出去产生高能带电粒子辐射也就是“太阳粒子事件”。由于地球也有磁场和稠密大气，太阳活动跟地球磁场和大气的交互就会产生极光、地磁暴等现象。人类历史上已知最严重的太阳风暴是1860年的卡林顿事件，强大的太阳风暴一度令夏威夷这样的低纬度区域都能看见绚丽的极光，而电报线路则产生电火花甚至因熔化而瘫痪。人们长期观测太阳黑子等现象发现太阳活动有高峰也有低谷，平均约11年为一个周期。

需要注意的是太阳风和太阳风暴本身并不直接关联，太阳风是太阳外层被太阳电磁辐射压力吹出去的稀薄带电粒子流，构成了行星际等离子体也算是太阳大气的延伸，还附带了太阳的磁场。因此，不可把太阳风和太阳风暴混为一谈。

太阳风暴对人类的影响

不同的太阳活动情况给人类造成的影响也不相同。尽管地球磁场和稠密大气如同防护罩一样阻挡了太阳活动的大部分危害，但是仍有一些影响无法完全避免。

▲太阳耀斑爆发

太阳耀斑爆发会影响地球电离层，干扰依靠电离层反射的短波通信。还会加热地球高层大气导致膨胀，从而明显增加于海拔几百千米高的近地轨道上飞行的航天器所受的稀薄大气阻力，加速轨道衰减并缩短其使用寿命。耀斑爆发中脉冲式增长X射线、伽马射线也会增加航天器所受的电离辐射剂量，对航天员健康以及仪器、光伏发电等造成一定影响。

▲日冕物质抛射

日冕物质抛射是太阳外层大气（日冕）以每秒几百千米抛射出的数以几十亿吨的炽热等离子体物质，这些物质会在撞击地球磁场的时候把蕴含的强大能量传递给地磁场造成扰动。这也会导致电离层异常严重干扰短波通信，还会引发感生电流干扰破坏供电、通信系统等，给人类的经济生产和社会安全带来危害。地磁异常可能还会影响人类的导航系统以及对地磁敏感、依赖地磁场导航的生物（会长途迁徙的部分鸟类、海洋哺乳类动物等），导致其迷航甚至冲滩搁浅。

▲太阳高能粒子事件

太阳高能粒子事件对于航天器危害更大，大量高能粒子对航天器的电离辐射危害远大于太阳耀斑的紫外线、X射线、伽马射线。其对生物、电子设备危害都非常大，甚至还能增加在高空飞行的飞机所受的辐射剂量。日冕物质抛射和太阳粒子事件的主要区别是日冕物质抛射是大量相对低能量的物质，就像洪水；而太阳粒子事件则是体量相对少得多但能量也强得多的物质，像是子弹扫射。太阳风暴的带电粒子还会影响航天器的电荷平衡，进而干扰电子设备。

SOHO 太阳观测卫星于2024年3月23日拍摄的日冕物质抛射照片

SOHO 太阳观测卫星于2024年3月23日拍摄的太阳黑子照片

在地球上如何防范太阳风暴

那如何降低太阳风暴带来的损失呢？对于通信而言，在太阳风暴期间可以暂时用不受干扰的光纤通信、自由空间光通信等替代依赖电离层反射的短波通信、受航天器电荷失衡干扰的卫星通信以及可能会被感生电流损害的电话网络，以避免通信失联带来的损失。供电系统、计算机等则要注意预留足够冗余以准备应急抢修等，从而降低对经济生产的负面影响并尽早恢复生产。

▲无人航天器的防护

对于无人航天器，可以通过太阳风暴预测，将其先加速提升到较高的轨道上或是及时使用其自身推进系统补充额外增加的大气阻力来降低其所受的影响。对电子设备可以注意抗辐射加固，芯片使用更耐用的材料、预留更多冗余以及添加更好的屏蔽层。在太阳风暴来袭前调整姿态，尽量把推进剂储箱等对辐射不敏感的部分朝向太阳，以起到额外屏蔽作用，并调整光伏电池阵列角度降低投影面、关闭容易受影响的敏感设备。此外，使用聚光光伏发电也能降低危害，因为其有助于在光伏电池上加更厚的透明屏蔽层且不会大幅度增加质量。

▲载人航天器的防护

对于载人航天器建议停止出舱活动，可让航天员穿上防辐射装具，并且躲进防护较好的舱室同时拿补给品等物资堆砌构建额外的抗辐射掩体度过高能粒子事件期，有效降低所受辐射剂量。对于未来脱离地磁场保护的深空载人航天任务（例如载人火星探索任务），则应当在设计上充分考虑电离辐射产生的危害及影响。如果能源供应充沛，还可用人工磁场、静电场主动偏转高能带电粒子（目前研制中尚未使用）。此外，最好还能预留可兼做太阳风暴辐射掩体的舱室。在任务规划上也要注意避开太阳活动高峰期，轨迹也尽量避免接近太阳以进一步降低辐射。

人类对太阳的探测

要想降低太阳风暴的危害必须更了解太阳。迄今为止，为人类研究太阳立下汗马功劳的代表性航天任务有：1973年发射天空实验室空间站，上面巨大的阿波罗太阳望远镜等仪器拍摄和获取了大量地面无法获得的太阳细节照片和科学数据，极大加深了人类对太阳活动的理解；1990年发射的尤利西斯号太阳探测器巧妙地利用木星引力协助突破黄道面飞跃太阳两极区域，以前所未有的角度全方位了解太阳；1995年发射的太阳和日球层天文台（SOHO）太阳观测卫星如同哨兵一样在地球和太阳之间多波段凝视太阳；2018年发射的帕克号太阳探测器则是人类不畏高温和强辐射勇敢靠近太阳的壮举，通过碳-碳复合材料的防热盾、姿态控制、冷却系统等措施能在近日点抵御1377摄氏度的高温，其离太阳最近时只有620万千米，是人类第一个飞入日冕的航天器……

我国也在积极展开对太阳的探测任务，而今已经发射了羲和号、夸父号等太阳观测卫星。未来，借助新科技人类航天有望抵近到离太阳仅35万千米的惊人炽热位置。随着科学家们对太阳研究的不断深入，人类未来将能更好地抵御太阳风暴危害并更高效的利用太阳造福社会。

（鸣谢：中国科学院国家空间科学中心研究员刘勇对本文亦有贡献）

编辑：黄灵    yeshzhwu@foxmail.com