爱读书 探索 强大的太阳耀斑真的可以摧毁地球上所有电器吗?

强大的太阳耀斑真的可以摧毁地球上所有电器吗?

Hy Zaret和Lou Singer写过一首歌,后来经They Might Be Giants乐队的传唱而流行,其中写道:“太阳是一团炽热发光的气体,是一个巨大的核聚变熔炉。”对于现代科学来说,他们对太阳的归类有些过于狭义了。到现在,我们还是不能完全了解太阳的复杂。

但我们知道的是,我们的太阳是一个由极度炽热离子化的气体混合而成的庞然大物。我们把这种气体称作为等离子体,这也是宇宙中物质存在的最普遍的状态。形成这种气体的原子温度太高了,以至于它们甚至不能控制住周围的电子。等离子气体以电流的形式,伴着电子穿过太阳。

如果对电磁学有些了解,你就会知道,一束电流会创造一个电磁场,太阳也是这样。太阳拥有环绕着的巨大的磁场,太阳的旋转使其永久存在。

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为了合成更复杂的物质,炽热的物体必须膨胀。太阳就是一个这样的炽热物体。但太阳不仅体积巨大而去密度高,这就意味着它拥有强大的引力。太阳的重力抑制了它膨胀的趋势,在重力和膨胀之间达到了平衡。

这些不同的力会引发太阳表面的剧烈活动。气流会引发太阳磁力线的扭转,同时也会阻止从太阳内部产生的高温气体上升到太阳表面,从而产生太阳黑子。相比之下太阳黑子比太阳表面的其他部分暗一些,同时也比周围的温度低一些。

磁场阻止热气上升,困在太阳黑子下方的热气也在给磁场施压。这些气流会把磁力线卷缩成紧密的螺旋,有时甚至会影响更多的磁场。偶尔这些紧密的磁力线会自己解开,没有太多的连锁反应,太阳黑子便渐渐褪去,热气也升上了太阳表面。但有时压力不断膨胀,被压缩的磁场突然弹开,这就产生了太阳耀斑。

太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)

一个太阳耀斑不仅仅是热气的爆发。太阳耀斑发射出的光横跨了整个光谱,包括我们看不见的光——包括X射线和伽马射线形式的辐射。这种射线对人类来说是危险的。幸运的是地球的大气层吸收了大部分的高能射线。

这并不意味着每个人在太阳耀斑下都有绝对的安全。高海拔地区的人们,例如在飞机上的人,就有被暴露在太阳耀斑辐射下的危险性。短时间的照射可能会引发皮肤红肿过敏,长时间的照射会增大患上皮肤癌的概率。但一般来说受影响的人们可以最终自行康复。

电器在高能射线下也很脆弱。如果高能射线击中一个卫星,射线有能力剥离金属原件中金属的电子。一旦成为自由电子,它们可以短路卫星中的电子元件。电子也会产生磁场,这对卫星也是有害的。有些卫星拥有抗辐射的防护层,但大部分卫星依然很脆弱。

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因为我们的大气层吸收了大部分的危险辐射,地表系统还是比较安全的。但是另一种太阳活动,日冕物质抛射,可以使地表电子系统产生严重故障。当日冕物质抛射发生时,太阳电磁场的波动促使一大块太阳表面的剧烈膨胀,向太空喷射出数以亿万计的粒子。有时日冕物质抛射伴随着日冕,但不是所有的日冕都会产生日冕物质抛射,也不是所有的日冕物质抛射和日冕同时发生。

不同于日冕,日冕物质抛射并不会产生强烈的光,而是在太空中蔓延数十亿英里的电磁冲击波。若是地球正巧在冲击波的路径上,我们的磁场会做出反应。这和一个弱的磁场和一个强的磁场并排很相像,较弱的磁场会自发的和强的磁场并列。强大的太阳磁场会重新排布地球的磁场,使其产生不可预测的移动。

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日冕物质抛射的后果不仅仅是漂亮的极光。磁场波动会令指南针失效。同时因为磁场可以发电,所有的导体都是诱导物。一个强劲的日冕物质抛射可以与大型的导体感应生电。这可能使电路过载并引发问题。

下面我们会一起看看一场严重的日冕物质抛射带来的后果。

灯光大秀

地球两极附近的灯光大秀是日冕物质抛射对地球影响的直观表现。亚原子粒子以不可思议的速度快速移动,引发氧气与氮气的电离。随着大气中的被激发的电子重新与原子结合,整个原子恢复成基态,伴随着能量放出,地球上空便激发出五光十色的光芒。这主要发生在地球磁场线与行星磁极的交汇处。

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和太阳一起摧残电器

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图解:一场剧烈的太阳风暴可能会瘫痪一整个大陆的供电。

虽然单独的太阳耀斑不足以对地球表面产生什么影响,但强大的CME却是另外一回事。其实严重的CME在历史上是出现过的,但当时人类的电子技术并不发达,人类当时也不完全依靠电子设备,那次也就不如最近一次对人类的打击大。

1859年,剧烈的CME引起了地球磁层(地球周围的磁场)的巨大磁场波动。居住在古巴以南的人们目睹了北极光现象。指南针和电报系统瘫痪,当时的科学家和学者们对这起事件的原因议论纷纷。现在我们知道了原因就是CME。那次的太阳运动太过剧烈,以至于发展成了我们所谓的太阳能超级风暴。

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如今,我们对电子电器的依赖程度远远高过1859年。若是类似于当年的太阳风暴再度袭来,我们必然会陷入灾难。磁力会在任何大导体中产生电流,包括电力变压器和电网本身。

坏消息还没结束。北美电网已经接近满载,已经无力承受更多来自于太阳风暴的负荷。电线与电网可能受损甚至彻底瘫痪。整个大洲都可能暴露在电力断供的风险之下。磁力波动会进一步影响广播信号,同时通讯系统以及卫星系统也会相继崩溃。

修复工作可能长达数周或数月。在这段时间里,大众没有办法知道发生了什么,抢险工作将面临严峻挑战。 虽然磁场可能不会使所有电子设备如手机或计算机短路,但通信系统依然不在工作。也就是说,小型的设备仍然可以工作,但缺乏可用的服务。

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CME可能甚至会影响人们的的计算机并导致故障。在大多数情况下,仅仅需要重启便可以解决问题,但随着电网的损坏,你可以使用的电力仅仅是电池里的电量。一旦用完了,你就会陷入困境。

没有办法阻止高能太阳风暴,但我们可以采取措施来限制CME的危害。 第一个是彻底检修电网系统。我们需要一个智能电网,在其运行时不会像如今电网运行时的负荷如此靠近与最高负荷。 我们还需要开发屏蔽系统,以此尽可能地保护我们的电气基础设施免受磁波动的影响。

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即使在最糟糕的情况下,高能太阳风暴也不会一句扫平全球所有的电气系统。相对来说,一些地区仍然可以幸存下来。若要一举瘫痪全球电力系统,所需要的太阳活动必然是在维度上与强度上都是史无前例的。 但即使在普通的CME下,看似是太阳的小打小闹,地球仍然是脆弱不堪的。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. A134340- howstuffworks

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