2012年或将遇世纪一遇太阳风暴 中国专家解读

2010-7-03 10:00 来源: 《光明日报》
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中国科学家:太阳风暴影响未必严重 

  ――专访中国科学院国家天文台太阳活动预报中心首席研究员王华宁

  近来美国科学家向世界提出持续警告:2012年是第24太阳活动周峰年,有可能发生“世纪一遇”的“超级太阳风暴”,对地球产生重大影响。“超级太阳风暴”会不会发生?会给人类带来哪些影响?近日,本报记者专访中国科学院国家天文台太阳活动预报中心首席研究员王华宁,谈谈我国科学家在这一领域的研究成果。

  记者:太阳活动的第24个周期,是不是太阳活动的强周期?

  王华宁:早在第23个周期之内,也就是1996年到2008年之间,科学家们就在积极预测第24周期的情况。就该周期内太阳黑子数量的高峰值能达到多少、大概会出现在哪一年等关键问题,中外科学家进行了大量的研究工作。其中对太阳黑子数量高峰值的预测出现了严重分歧。

  2009年之前科学家预测第24周峰值大概会出现在2012年。但是,2008、2009年以及今年以来的太阳黑子数监测表明,这段时间内太阳黑子出现频度处于低迷状态。这意味着第24周峰值出现时间还要推迟。目前我们倾向于认为峰值会出现在2012年下半年或者2013年上半年。当然,考虑长期预测的误差,峰值出现在上述预测时期之外也不奇怪。

  就峰值大小预测而言,2009年之前有一部分科学家倾向于认为是第24周期可能是太阳活动的强周期。他们采用太阳发电机理论模型并结合黑子观测数据,预测第24周峰值比第23周期高40%。但是这一结论遭到了另一部分科学家的反对,其中包括提出这个理论模型的印度科学家。这位印度科学家和中国科学家联合,用同样的理论模型进行计算,得出的结果是第24周期的峰值比第23周低30%。出现这种严重分歧的原因在于如何看待已经过去的周期对未来周期的影响,本质上是如何判断太阳内部的运动状况,如何获取太阳内部磁场(黑子)产生区域的真实状态。综合近三年太阳黑子数量的变化情况,目前科学家普遍认为太阳活动的第24周期不会是强周期,而是弱周期。预测峰值高低的争议告一段落。

 

  记者:太阳活动周期的这种强、弱之分,是不是就意味着“超级太阳风暴”攻击地球可能性的大小?“太阳风暴”的决定因素有哪些?

  王华宁:这里我们要澄清一个概念。所谓太阳活动周期的强弱,主要指的是太阳黑子数峰值的多少。在太阳活动的一个周期里,太阳黑子数量最多的那一年,被称之为“峰年”。但是,这与是否产生“超级太阳风暴”没有直接关联。比如1859年的“超级太阳风暴”强度很大,对地球产生重大影响,强烈干扰了刚刚建立起来的电报网络。但这次“超级太阳风暴”是第10周峰年之前发生的。

  太阳风暴是指对地球产生影响的太阳爆发现象。太阳爆发种类繁多,衡量爆发强度的方法也不相同。其中有一种太阳爆发现象称为X射线耀斑,主要表现为来自太阳的X射线流量爆发性增强。按照流量的大小,分为C、M和X三个级别。自从1976年以来,人类开始用人造卫星对太阳X射线流量进行不间断监测。这些年的监测数据表明,在太阳的每个活动周期里,都会出现几次甚至是十几次强度较大的X级“X射线耀斑”。耀斑主要表现为强烈的电磁辐射和高能粒子辐射。电磁辐射约8分钟后影响地球的向日面,高能粒子大约在数十分钟后到达地球附近的空间。对地球磁场和大气影响最大的是日冕物质抛射。日冕物质抛射过程中上百亿吨时速高达数百乃至千公里以上的带电粒子冲向行星际空间,形成激波阵面。一旦该阵面经历数十小时冲向地球,就会引起强烈的地磁暴和电离层暴。上述变化可能进一步引起如下灾害性事件:宇航员可能受到辐射伤害;卫星轨道衰变并过早陨落,星载电子仪器受到严重损害;电磁遥感测量在磁暴期间常常发生错误;电波路径发生位移,GPS定位、导航产生误差;地面电网和电力设施遭受冲击等等。

  •   日冕物质抛射形成的激波阵面不直接冲向地球,就不会对地球产生严重影响。
  •   靠近地磁极的国家受到的影响较大。

  然而并不是说太阳爆发越强,对地球的影响就越大。地球在距太阳1亿5千万公里远的公转轨道上运动。如果日冕物质抛射形成的激波阵面不直接冲向地球,或者说地球没在太阳爆发的直接打击范围内,就不会对地球产生严重影响。比如2003年10月下旬和11月初,太阳上发生一系列X射线耀斑,并于11月4日观测到了近三十年来最大的X射线耀斑(级别为X28+,超出了卫星X射线探测器的量程),同时大量的日冕物质抛射现象相继发生。然而这些耀斑和日冕物质抛射对地球的影响比不上1989年3月上旬的一系列爆发事件。当时太阳上也产生了一系列X级耀斑(最大X15级)和大量的日冕物质抛射。这些爆发事件不仅损坏了一些人造卫星,而且导致加拿大魁北克地区电网崩溃。

 

  记者:美国科学家描绘的“超级太阳风暴”袭击地球的情况非常可怕,可能会产生诸如大面积停电、通讯中断等严重后果。这一切真的会发生吗?

  王华宁:这种情况是可能发生的。美国科学家对于最坏情况的预测并没有言过其实、耸人听闻。因为“太阳风暴”对高技术系统的打击尤为严重。在高度依赖信息技术的今天,如果1859年“太阳风暴”再次发生,的确会像美国国家科学院报告所描述的那样,给人类社会带来巨大灾难。然而“超级太阳风暴”是百年不遇的灾害性事件,具有偶然性和突发性。我们既不能放松对这种太阳风暴的警惕,也不要因此就误以为世界末日来临。地球磁场和大气是地球生物圈的保护伞,它们屏蔽了大量来自太阳和银河系的高能粒子对地球生命的冲击。如果太阳的“身体状况”不稳定,这个保护伞势必受到影响。太阳目前正处于青壮年,“身体状况”良好,为我们的地球家园提供了一个相对稳定的外部环境。然而我们不能因此放弃对太阳“身体状况”的监测,因为身体再好的壮年人也会“偶感风寒”。

  另外,太阳风暴对各国家的影响程度还要取决于该国家所处的位置。一般来说,靠近地磁极的国家受到的影响大。加拿大大部分地区靠近地磁极,因而很容易受到太阳风暴的袭击。这也是1989年太阳风暴导致加大拿魁北克地区大停电的原因之一。

 

  记者:我们国家在空间天气监测预测上,目前处于何种地位?做了哪些工作?

  王华宁:虽然空间天气监测预测有很强的应用目标,但涉及众多基础研究领域:如太阳物理、空间物理和地球物理等。目前人类对于太阳风暴的预测能力还十分有限,原因是我们对空间天气过程的认识还处于起步阶段。空间天气的理论、方法和数据的全球共享度较高。我国是国际空间环境服务(International Space Environem ent Service,ISES)的成员之一。我国在北京时间每天下午2点向其他成员公布我们的观测数据,并对未来48小时太阳活动情况进行预报,也就是“48小时时效、24小时更新”。同样我们每天在不同时间段也会收到来自其他成员的观测数据和预报结果。

  由于地球大气的影响,地面太阳观测精度不能与空间观测相比拟。地面单点也不能实现连续太阳监测。因此美国、日本、欧空局在过去数十年里相继发射了几十颗太阳观测卫星。其中有日本2006年发射的口径为0.5米的光学望远镜,用于观测太阳大气和磁场的精细结构。应该说我国的地基太阳观测是非常有特点的。相关理论研究和预报模式研究也处于国际前沿。但我国在天基太阳观测领域还是空白,至今没有天基太阳成像观测,第一手数据还要依赖于国际卫星数据。

  早在上世纪80年代末,我国太阳物理专家艾国祥院士领衔提出了“空间太阳望远镜计划”。该计划拟将1米口径的光学望远镜发射到太空,用于观测太阳大气和磁场的精细结构。经历了二十多年的提高和完善,其探测技术与科学目标在国际上保持了领先地位。与此空间太阳望远镜相关的多项关键技术攻关已经完成。一旦1米口径光学望远镜为主体的“空间太阳望远镜”成功实现太阳观测,我国太阳活动监测能力和“太阳风暴”预警能力将大幅度提高。

 

  链接

  太阳风暴

  太阳风暴是太阳黑子活动达到高潮时,太阳因能量增加而向太空喷射大量带电粒子。一次太阳风暴在短短的一二十分钟内释放出的能量,与平时整个太阳1秒钟内释放出的总能量相当。太阳风暴每11年发生一次,它往往以每小时300万千米的速度闯入太空,有些会扑向地球,与地球磁场发生撞击产生地磁冲击波。

  太阳风暴会对人类生活造成一定破坏。由于太阳风暴中的气团主要内容是带电等离子体,因此,它将影响通讯、威胁卫星、破坏臭氧层。

 

  几次影响大的太阳风暴

  卡灵顿事件(1859年)

  是历史上有记载的最严重的一次太阳风暴。因为英国天文学家理查德·卡灵顿(Ri char d Car r i ng t on)最先发现这一现象,因此这次太阳风暴被称为“卡灵顿事件”。1859年9月1日早晨,卡灵顿用装着过滤器的望远镜观测太阳黑子时,发现太阳表面喷射出了一道明亮的光。这种现象很快就消失了。他并不知道,那团明亮的斑点是一团带着电荷的等离子云,正朝着地球的方向疾速飞来。就在几分钟内,英国格林尼治天文台和基乌天文台都测量到了地磁场强度的剧烈变动。17个半小时以后,地磁仪的指针因超强的地磁强度而跳出了刻度范围。差不多同时,各地电报局电报机的操作员报告说他们的机器在闪火花,甚至电线也被熔化了。低纬度地区的人们都能看到天空中五颜六色的北极光,午夜时分不用点灯都能阅读报纸。卡灵顿几乎肯定地认为这些事件都与他发现的耀斑爆发有关。“卡灵顿事件”造成了长达8天的恶劣空间天气。由于当时主要依靠蒸汽机和劳力,还没有人造卫星、无线电通信和现代的电力传输网络,太阳风暴并未给地球带来过于严重的灾难。

  1989年太阳风暴

  1989年发生的超级太阳风暴,使美国国防部的一些卫星瘫痪,使加拿大魁北克省和美国新泽西州的供电系统受到破坏,造成的损失超过10亿美元。

  2003年太阳风暴

  2003年10月28日,发生了一次强烈太阳耀斑爆发及与之相伴的强大日冕物质喷射,这场太阳风暴于美国东部时间29日凌晨1时13分与地球磁场发生作用,由此产生的地磁暴强度达到了很高级别。日本个别卫星出现了信号异常,美国北部和加拿大一些电网出现了电流急冲现象,另外美国北极光可见区域显著南移,甚至有人在得克萨斯州的埃尔帕索看到了北极光。

  不过,由于不少国家的电力等部门采取了相应预防措施,没有大规模断电等情况发生。国际空间站上的两名美俄宇航员也按照要求短暂撤离到了“曙光”号功能货舱尾部,以躲避太阳风暴发出的强辐射。