来自太阳的风暴：人类走向太空时代的挑战与机遇

王劲松中国气象局研究员兼博士生导师。

主要从事空间物理和空间天气监测及预警研究。

他曾获中国青年科技奖等多项奖励，并被评为新世纪全国百万人才候选人、国家科技创新万人计划和其他人才工程带头人，享受国务院*特殊津贴。已经发表了130多篇学术论文。

艺术家2015年太阳风暴袭击火星的概念图展示了太阳风暴袭击火星并导致火星极光的场景。

明亮的画面/视觉中国

空间天气对人类影响示意图

太阳风暴导致挪威上空出现北极光(2015年照片)。

明亮的画面/视觉中国

演讲者:王劲松演讲:*党校演讲时间:2018年7月

故事开始于159年前。

太空天气是如何产生的，以及如何影响人类？我们能为太空天气做些什么？

在我们开始描述今天的主题之前，让我们先想象一下这样一个虚拟场景:

当你在三伏天的夜晚突然醒来，你会发现天气异常闷热。直到那时你才发现室内空调坏了。你摸索着空调的遥控器，按下了开关，但是不管你怎么按，你还是没有听到预期的空调制冷的声音。

你感觉很奇怪。然后开灯，灯不亮；按下手机后，您会发现无线网络已关闭，手机信号消失...

现在你醒来，你走到窗前，打开窗帘，发现外面的天空是红色的，而地面是黑暗和寂静的。接着是一阵喧闹。惊慌失措的家庭发现，不仅供水和供电被切断，通讯、网络和信息系统也无法使用。

在这里，我们的故事结束了。事实上，上面所说的并不是完全出于科学幻想，它的一些内容已经在我们人类历史上真正经历过了。

1859年9月1日，英国天文学家卡灵顿在对太阳黑子的常规观测中发现了一个不寻常的现象。突然，太阳黑子周围出现了极其明亮的白色条纹，几十秒钟后逐渐减弱。几分钟后，英国的格林威治天文台和基奥天文台都观察到地磁场的剧烈波动。17个半小时后，地磁波动强度超出了仪器的测量范围。

与此同时，世界各地许多电报站的操作员报告了设备异常。发射器本身发出火花，电线发热甚至熔化。极光通常只出现在北极和南极地区，延伸到古巴和夏威夷。人们被夜空中诡异的红色所震惊。

值得注意的是，这一事件的痕迹也可以在中国的历史文献中找到。清代《霍鲁县志》记载:“咸丰九年(公元1859年)七月之夜，红灯从西北方开始，穿过东北方，在三个晚上就消失了。”

这是迄今为止人类遇到的最强烈的太阳风暴。后来，人们也称之为“卡灵顿事件”。在某种程度上，我们应该幸运地在159年前“提前”发生了这场自然灾害——因为当时人类的科技水平不足以充分证明太阳风暴的毁灭性影响。

然而，159年已经过去了，如果拥有先进技术的人类不重视这种灾难，那么很难说我们将来是否会继续我们的好运。

那么，什么样的灾难与地球上的风、雨、雷和闪电完全不同呢？为了回答这个问题，今天我们将讨论一个相对陌生的概念——空间天气。

太空天气是如何产生的

地球上生命的存在取决于太阳的存在。如果太阳在几个月内消失，地球上超过90%的生命将无法存活。正是这太阳给了我们光和热，但它经常是狂躁的，使看似平静而空旷的空间充满了变化和冲突。就像地球大气中的风、雨和雷一样，太阳的搅动会导致太空天气中一种特殊的“天气”现象。

太阳离我们大约1.5亿公里。它不仅释放光和热，还释放大量不可见的微小粒子。著名科学家帕克给这些粒子起了一个非常艺术的名字——太阳风。太阳风充满了整个太阳系，我们的地球和它的行星兄弟实际上沉浸在太阳风中。太阳风提供了空间天气的基本背景，而其他的太阳活动会导致空间风暴。

所谓的太阳的其他活动与太阳黑子密切相关。人类对太阳黑子的第一次记录是在公元前28年的汉朝。1843年，在伽利略用望远镜观察太阳200多年后，德国天文学家施瓦布发现太阳黑子的周期约为11年。科学家们规定1755年将是第一个太阳活动周，所以我们现在处于第24个太阳活动周的末尾。后来，科学家发现太阳黑子的出现和频繁出现伴随着太阳表面某些部分亮度的突然增强，即太阳耀斑，这是卡林顿看到的太阳黑子旁边的白光。此外，在日全食期间，人们可以看到被月亮遮住的太阳“戴着一顶皮帽”，这实际上是太阳的外层大气，称为日冕。进入太空时代后，人类用卫星上的挡板制造了一次人工日全食。结果，他惊讶地发现日冕有时会像火山爆发一样向太空喷射大量物质，即日冕物质抛射。

渐渐地，人类认识到太阳黑子的周期也是太阳活动的周期。当太阳活跃时，太阳会通过耀斑、日冕物质抛射和其他爆炸活动使太阳风能量和物质激增，这被媒体形象地称为“太阳风暴”。

地球沉浸在太阳风中，因此太阳上爆发了活动，地球很可能受到太阳风暴的袭击，这将持续总共三个回合。

但是地球只依靠两种设备来抵御太阳风暴:磁场和大气。地球磁场可以减缓甚至阻止来自地球大气层的速度不是很快的带电粒子。大气就像防弹背心一样，会受到磁场无法阻挡的强力攻击。攻击能否到达地面取决于攻击本身的能量。

太阳对地球的第一次攻击是太阳耀斑发出的电磁辐射，它以每秒30万公里的速度在8分钟内覆盖了太阳和地球之间1.5亿公里的距离。地球磁场无法应对太阳耀斑引起的x射线、紫外线和无线电波的爆炸。这些辐射直接进入地球大气层，幸运的是，大气层吸收了大部分能量。

太阳的第二次攻击是高能带电粒子的后续流动，这些粒子接近光速，将在太阳爆发后的10分钟到10小时内到达地球附近的空间。这些高能粒子会直接轰击太空中的设备和太空人员，但通常的防护措施很难抵挡，这被称为“太空杀手”。被地球大气层阻挡后，一些粒子仍可能直接轰击地球表面。

第三轮攻击是日冕的大规模喷射，它以每秒数百至2000多公里的超音速扑向地球。它们到达地球大约需要4天。它们首先与地球磁场相互作用，造成地球磁场的严重扰动。然而，没有被地磁场阻挡的物质最终将通过各种迂回的渠道沿着地磁场注入地球的两极。这些粒子轰击地球极地地区的大气，就像阴极射线轰击旧电视机的荧光屏，轰击极地地区的大气发光，从而产生明亮的极光。

然而，并不是所有的太阳风暴都会影响地球。太阳风暴通常发生在太阳的不同部分，一些指向地球，但更多指向地球以外的其他地区。即使它是指向地球的太阳风暴，在它到达地球的过程中，它也会通过与复杂的星际空间结构的相互作用而偏转，导致太阳风暴的方向发生变化。这种不确定性也是目前难以预测空间天气事件的原因之一。

简而言之，太空天气是太阳的三轮攻击和地球的顽强抵抗。事实上，除了穿越极地的宇航员和空乘人员之外，人类通常无法直接感受到太阳风暴的影响。因此，尽管太阳风暴的存在与太阳的存在一样长，但在电气化之前，除了太阳黑子、耀斑和极光，人类无法感知到空间天气的存在。

然而，在人类技术发展之后，从太空进入地球的能量和物质，以及地球磁场和大气阻力的各种变化，最终将通过现代科技系统影响人类赖以生存的基础设施。

空间天气对人类的影响

一些学者认为，太空天气造成的灾害可以比作人类的“富裕而高贵的疾病”，即“越先进，越脆弱”。换句话说，人类技术系统越先进，就越会受到太阳风暴的影响。然而，随着现代社会科学技术的进步和经济社会的发展，人们的生活水平不断提高，空间天气对人类活动的影响自然也越来越大。换句话说，同一个太阳风暴可能会给一些发达国家和地区造成巨大的经济损失，但一些欠发达国家和地区可能根本感受不到。

第一个有记录的空间气象破坏技术系统事件发生在1847年3月19日。那一天，英国电报局的调度员突然发现，电报针已经自动偏转了。同年9月，当人们再次发现电报针的自发偏转时，极光也被观测到了。从1859年8月28日到9月2日，极光不断出现在北半球，而加拿大电报站之间的通讯完全中断。在第二次世界大战期间，一个英国陆军部队突然失去了与总部的联系，当时它正深入敌后。无线电操作员认为他们携带的高频无线电通信设备被敌人损坏了。整个单位处于极度紧张的状态，几乎实现了盲目突破。直到后来才明白通信中断是由恶劣的太空天气造成的。

事实上，当人类进入21世纪的今天，经验和理论已经证明，空间天气将会在各个领域产生影响，如航空航天、航空、通信、导航、电力等。太阳发出的大量带电粒子将直接威胁绕地球运行的宇宙飞船和宇航员。这些粒子会损坏航天器表面的部件，老化太阳能电池板和光学部件，并导致严重的太空事故。

统计显示，国内外约40%的卫星故障与空间天气条件有关。

在太阳风暴期间，宇航员可能会遇到严重甚至威胁生命的辐射剂量。然而，在高纬度飞行的人可能会受到高剂量辐射的威胁。在1989年9月的太阳风暴中，美国航天飞机亚特兰蒂斯号上的宇航员看到了高能粒子轰击视网膜造成的闪光。他们的眼睛受到严重刺激，不得不退回到飞船舱。与此同时，在巴黎和华盛顿之间飞行的协和式超音速飞机上的辐射监测器首次超过了警戒水平。飞机上的人员受到的辐射剂量比平时增加了六倍，相当于胸部x光检查受到的辐射剂量，超过了警戒线。

太阳风暴引起的地球磁场的剧烈变化被称为地磁风暴。当磁暴发生时，快速变化的地球磁场将在输电线上产生感应电压和感应电流。感应电压和感应电流在数百或数千公里的输电线路上不断积累，积累到带来灾难的程度。1989年3月13日发生在加拿大魁北克的大停电是由一场磁暴引起的，磁暴导致输电线上出现额外的电流，导致一个巨大的*变压器烧毁。由于现代社会高度依赖电力，电力中断将导致现代社会出现多米诺骨牌效应，严重扰乱经济社会的正常运行。

地球的大气层位于地面以上60公里到数千公里的高度范围，被称为电离层，对无线电波有很大的影响。当太阳爆发时，电离层将受到严重干扰，我们常见的短波信号、无线电台的高频信号、全球定位系统和其他全球卫星定位系统、卫星通信等。会被打扰甚至无法工作。例如，1994年，太阳风暴造成的电离层扰动导致美国卫星信号恶化，造成美国许多证券交易所的数据混乱。

所有人类发射的近地宇宙飞船都在地球的高层大气中运行。在太阳风暴期间，地球的高层大气将被输入的能量加热，大气密度将增加十倍，这将使在轨航天器遭受成比例的大气阻力增加，导致航天器轨道下降，甚至提前下降。

事实上，大型空间天气事件经常给人类带来“综合”危害。从2003年10月底到11月初，一系列大型太阳活动引发了本周太阳活动中最强的空间天气事件。恶劣的太空天气给卫星、通信、导航和地面电力系统带来了一系列的破坏，造成了严重的经济损失。在这次太空天气事件中，大量卫星出现故障并丢失了数据。25颗卫星需要地面操作干预来维持运行。日本的EOS卫星已经丢失，英国和美国的许多航班*改变航线，全球短波通信已经中断，超视距雷达和民航通信已经失败，全球定位系统导航系统已经失败，瑞典的电网已经中断一个小时，中国北部的短波通信也受到严重干扰。

我们能为太空天气做些什么？

面对空间天气灾害，“越先进，越脆弱”的悖论并不意味着为了避免这种攻击，人类应该回到电气化之前的时代。事实上，在分析对太阳的三轮攻击和对人类的影响时，我们还可以发现两个事实:第一，即使我们不能准确地预测太阳爆发的时间，我们也可以准确地预测太阳爆发将会在何时以及如何影响地球；第二，只要我们保护甚至停止一些敏感的技术系统，切断影响技术系统抵御太阳风暴的空间天气联系也是可行的。

因此，“越先进，越脆弱”悖论的另一面是“防御困难，减缓”空间天气灾害的特点。减灾的前提与我们防御和减轻其他气象灾害的前提一样:观测和预报。

这样一个太阳“大火球”的结构极其复杂，其活动过程也非常复杂。预测它的未来状态真的不容易。然而，在预测之前，最重要的是观察。

科学家通过近300年的观察和积累发现，太阳作为一个整体呈现出11年的活跃周期。在一个太阳活动周期中，太阳表面的太阳黑子数的频率从低到高再到低，依此类推。目前，我们正处于第24个太阳活动周的末尾。太阳能活动进入了又一个低谷。截至2018年7月31日，太阳表面(面向地球的半球)无太阳黑子的天数已经超过121天。这使我们能够从整体上把握太阳活动的趋势。在接下来的一年里，太阳活动将继续下降，像耀斑和日冕物质抛射这样的“大运动”的可能性通常很低。然而，这并不是说在太阳活动的低年，不会有大规模的活动。例如，在2017年9月，最强的耀斑爆发发生在第24个太阳活动周，就像静止的水在没有预警的情况下突然激增。

此外，在短期预测中，人类也有方法。太阳的自转周期大约是27天，这给我们带来了一个便利的条件。

这意味着在太阳上的一个活跃区域变成太阳背面13天半之后，我们可以在太阳另一边的边缘区域再次看到它。根据它的大小、磁场结构和变化趋势，可以进一步判断它何时可能再次影响地球，以便提前27天左右发布空间天气预报。

就设备和监测手段而言，像气象监测一样，空间气象监测也需要在作出预报之前被“看到”。对于太阳，人们已经尝试了很多设备和方法，希望能看得更清楚、更准确、更透彻。

例如，在距离地球约150万公里的地方，也称为太阳和地球之间的拉格朗日L1点，“钉”了一颗监测卫星，如SOHO、ACE卫星等。因为这个L1点总是在太阳和地球之间，所以在这个位置上的卫星总是像哨兵一样坚守在地球的上游。每当太阳风暴来袭，卫星立即将数据传回地球，这可以为我们争取几十分钟的反应时间。在这几十分钟内，人类可以关闭卫星，改变飞机航线，使用备用变压器，以及使用其他通信手段。简而言之，他们可以利用各种渠道来切断空间天气事件对技术系统的影响。当太空中的空气平静时，一切都会恢复正常。

为了有效应对太阳风暴及其引发的空间天气灾害，人类需要建立与天气预报相同的空间天气监测和预报系统。

在中国空间气象科学研究取得令人鼓舞的进展的基础上，国务院于2002年批准在中国气象局建立一个国家空间气象监测和预警中心，与*气象台共同建立一个天地一体化天气预报系统，对地球天气进行预报。今天，该中心与美国空间气象中心共同成为世界气象组织空间气象协调机构的联合主席单位，共同推动全球空间气象业务系统的建设和发展。

然而，为了有效应对可能的超级太阳风暴及其造成的灾害，除了技术准备之外，目前还有许多工作要做。

首先，中国需要在国家层面制定空间天气或空间天气发展战略。在这方面，美国已经起了带头作用。2017年，国家空间气象战略再次更新，空间气象灾害被纳入国家防灾减灾系统。美国的各个部门和机构相互合作，各领域的专家共同制定计划，在灾难爆发前制定对策。

其次，我们还需要一颗卫星在L1站“保卫地球”。在这座第一座灯塔上，美国和欧洲的SOHO和ACE卫星为人类做出了巨大贡献。这两颗卫星正在老化，正在退出历史舞台。自本世纪初以来，中国科学家一直呼吁发射类似的卫星，这已得到国际学术界的高度认可。距离上次超级太阳风暴已经有159年了，导致加拿大魁北克大停电的太阳风暴是在近30年前。根据目前科学家的说法，“超级太阳风暴百年一遇”，未雨绸缪的重要性不言而喻。

同样重要的是，社会所有部门都需要对太阳风暴和空间天气灾害有足够的了解。如前所述，空间天气灾害“很难防御和减缓”。以人类目前的预警水平，只要我们知道如何应对它们，我们就能有效减缓空间天气灾害造成的损失。相反，如果我们不知道相关的知识，当灾难来临时，我们会不知所措。评估表明，对空间气象灾害认识不足将是未来灾害造成损失的一个重要原因。因此，普及空间气象知识与空间气象监测预警技术和空间气象减灾措施同等重要。

如果我们处理得当，当未来超级太阳风暴来袭时，我们将有机会享受空调带来的凉爽微风，同时享受绚丽的极光，这种极光通常只出现在炎热的热带地区附近天空中的极地地区。