太阳王（06）：2003年万圣节太阳风暴
打包知识点
➀ 2003年万圣节前后，一次强烈的太阳风暴袭击了地球，被称为 2003 年万圣节太阳风暴。
➁ 这次的太阳风暴造成了非常严重的后果，人们感受到太阳狂暴的一面。
➂ 鹤谷博士根据印度一个观测站的古老记录，计算出1859年太阳风暴强度是2003年的五倍。
>> 您正在收听的节目改编自上海教育出版社引进出版的科普书《太阳王》，由英国的斯图尔特·克拉克著，本节目的播出已经获得了上海教育出版社的授权，在此表示感谢。
1995 年12 月 2 日，太阳和太阳圈探测器（简称 SOHO） 成功发射，它是一颗绕日公转的太阳卫星，在绕日公转的同时，也围绕着日地连线的第一拉格朗日点转动，时刻不停地注视着耀眼地太阳。
图：SOHO 探测器
时间走到了 2003 年 10 月，SOHO 的负责人坐在美国国家航空航天局（NASA）位于巴尔的摩的戈达德太空飞行中心（GSFC）中，看着 SOHO 正遭受着有生以来最强烈的太阳风暴，除了祈望探测器能够保持完好无损，也别无他法。
图：NASA 巴尔的摩的戈达德太空飞行中心
就在几个星期以前，太阳沸腾的表面还没有任何活动的迹象，看上去如此安静，以至于科学家认为它已经进入周期性的休眠期。然而就在这时，太阳开始震动了。
10 月初，SOHO 侦测到太阳核心发出一种杂音，科学家们开始寻找这种杂音产生的原因。可是，在太阳的可见表面什么都没找到，因此，他们猜想，或许是在环绕太阳的另一边有猛烈的冲击波发生。现在，只能等太阳慢慢转过来，才能看到那是什么东西。
10月18日，科学家们发现在接近太阳东边有块地方变得暗了。起初几乎看不见，只是一小块瑕疵。24 小时后，瑕疵长大成一块丑陋的淤青，面积比地球的 7 倍还要大。这是一个巨大的太阳黑子。尽管太阳黑子会时不时地出现，但是通常没有这么大。我们上期说过太阳黑子是怎么形成的，简单来说，就是当太阳的磁结，也就是磁场集聚的地方，从内部爆发，就会导致周围的气体稍微冷却，使得它看起来比其他地方暗淡，这就是太阳黑子。
天文学家现在知道太阳耀斑通常在太阳黑子的上方爆发，不久之后该处的太阳黑子就会裂开。10月19日，这一期间发生的第一次耀斑出现在饱满的黑子上。在太阳照射到地球的这一面，耀斑产生的太阳风立刻让无线电通信中断了将近 1 个小时。然而耀斑并没有减弱，黑子继续变大，太阳也继续震动。这个现象很不寻常，令科学家们感到费解，这难道意味着另一个太阳黑子即将完全形成吗？
10月21日，通过分析 SOHO 每隔 15 分钟发回的序列图像，科学家们证实了前面的疑虑。在太阳的正面，科学家们从视野范围边缘看到，在太阳东侧的地平线上，有大爆发留下的痕迹。爆发时有一团火热的气体不断膨胀并扩散到太空中。自那天之后，从 SOHO 传回的图像上可以看到有沸腾的气体喷出，表明在同一个地方再次发生了爆发。在太阳反面的边缘肯定也有一个巨大的太阳黑子。科学家们估计，随着太阳的自转几天后就可以看到它了。
同时，科学家们继续观察着第一次出现的那个非常巨大的太阳黑子。到了10月22日，太阳耀斑再次出现，这次爆发引发了太阳气体的大喷发。喷出的气团大的可以一口吞掉地球，在这个气团中，包含着各种各样的带电粒子，温度高达数百万摄氏度，这比烤箱中的空气热一万倍。随着科学家们看着那团云气持续膨胀并散发到太空中，他们意识到这些云气可能会波及地球。
耀斑爆发的光线和 X 射线只需要 8 分钟就可以穿越我们和太阳之间的 1.5 亿公里的距离，然而每次喷发出的重粒子的速度相对较慢，需要18到48小时才能到达地球。随着粒子流到达时刻的逼近，宇航员迈克尔·福尔和亚历山大·卡列里藏进了国际空间站防御力最强的太空舱中，以躲避致命“风暴”。航空公司指示飞行员降低飞行高度，希望地球大气层能够保护乘客和机组人员避开强度高于平常水平的辐射。当太阳“风暴”出现时，南极和北极更容易遭受高强度的辐射，所以航空公司会指导很多航班改变航行路线，以避开靠近两极的航线。
“风暴”带来了巨大的影响。
在太阳“风暴”侵袭地球大约半小时前，它先扫过 SOHO，导致探测器上安装的相机出现故障，敏感设备面临因电荷积累而产生短路的危险。好在 SOHO 挺过来了，然而并非每一颗卫星都那么幸运。第一个“电子受害者”是日本航空航天探索局的绿色二号气象卫星，它在“风暴”袭击时信号全部中断，从此杳无音讯，就像风筝断了线。有很多卫星都出现了暂时性故障，或者保护性关闭了，等待地面控制人员发出重新启动的信号。通常，太阳“风暴”会让太空飞船导航装置暂时失效。飞船上有种小摄影机叫做星体追踪仪，通过观测恒星来指引太空飞船的方向。如果关掉星体追踪仪，飞船就无法定向。这有可能导致飞船朝着四面八方胡乱喷气调整自己的方位。
在地球上，虽然天文观测者注意到了空中闪耀的极光，但规模不算大，也没有引起人们太大的注意。随着太阳转动，太阳黑子继续喷发出一波又一波的带电物质。每喷出一次，这些带电物质就更容易直接打到地球上。在10月26日，太阳黑子已经长大到比地球直径的 10 倍还要大。
第二个太阳黑子后来出现在太阳东部边缘，在尺度上比第一个更大。看到一个巨大的太阳黑子已经很令人吃惊了，一下子看到两个，那就令人感到恐怖了。大家可以看下当时这两个巨大的太阳黑子长什么样。
图： 每组黑子的尺度大约是地球的10倍
（图片来源：NSO /AURA/ NSF /比尔·利文斯顿）
接下来的爆发仍在继续，每天都有新的耀斑和喷发。地球是否会遭受袭击已不再是个问题了，问题是这次冲击到底会有多强。已经有一些科学家开始感到忧心忡忡，发出了警告，这似乎是人类进入电气时代之后，所能遭遇到的最强烈的一次太阳风暴。
10月28日，科学家们最害怕的事情发生了。第一个太阳黑子正对着地球爆发出最强的耀斑。释放出的能量相当于 500 亿颗普通当量的原子弹。可怕的后果瞬间产生，各国的海军陆战队紧急呼叫系统瘫痪 40 分钟；珠穆朗玛峰上探险人员失去联络；断断续续的无线电使得在加利福尼亚森林救火的人员无法正常工作。土星与太阳之间的距离是日地距离的 10 倍，当时NASA的卡西尼号探测器正飞向带有光环的土星，连卡西尼号也接收到了爆发的耀斑释放出的无线电波。
不仅如此，耀斑触发大规模的喷发，数十亿吨的高达数百万摄氏度的气体喷射到太空中，直接打在 SOHO 和地球上。过去，科学家们总希望能获得更多的数据，可这次的数据也未免太大了。他们指挥 SOHO 调整成低功耗的安全模式，关掉脆弱的设备。面对这种新的爆发，如果要继续运转，就像是要在暴风雨中放风筝一样。因此，他们关闭了 SOHO 上所有的仪器，只求能够躲过“风暴”。
太阳“风暴”到达地球时仍然十分凶猛。太阳耀斑上爆发出的物质以惊人的每秒 2300 公里的速度向太空推进。因此，带电气体经过 SOHO 后，仅仅花了 12 分钟就到达地球了。
绕着地球运行的卫星再度发生故障。航空公司急忙改变航行路线，指示所有飞机不得超过北纬 57 度，飞行高度不得超过 7600 米，这个高度的大气层很稠密，飞机需要燃烧更多的燃料，因此增加了高达数百万美元的支出。
当爆发出来的粒子穿过地球的磁层后，地球北部所有电线的电压突然不稳定地增大，最终毁坏了瑞典的一个发电厂，导致瑞典 5 万人无电可用。美国新泽西州有两座核电站的电压不得不调低，担心电涌造成损害。当来自太阳的带电气体袭击地球时，连罗盘指针也会来回猛烈地摇晃。
庞大的灼热云团扫过地球之后继续前进。它们到达距离太阳 1.5 倍日地距离的地方，碰到了火星，其猛烈程度实际上并未衰减。NASA 的奥德赛号探测器正在火星轨道上运行，在绘制这颗行星的地图，同时测量宇航员登陆火星将要承受的辐射水平。充满电场的云团吞没了火星和它轨道上的访客，被用来监测辐射现象的辐射监测仪被过载电流烧坏了。奥德赛号上其他设备拍摄到的冲击波把火星稀薄的大气层扭曲到了极限，并撕下大量火星大气后将其带入了茫茫深空。科学家们吃惊地意识到，地球的“磁场斗篷”是保护我们的大气层免受类似攻击的唯一屏障。
当“风暴”减弱后，太阳黑子又对地球发起另一波同样规模的攻击。事实上，在 10 月末到 11 月初，太阳耀斑和喷发反复地侵袭地球。在这段时间里，无线电通信变得不再可靠，卫星电视接收变得时有时无，某些国家的移动电话无法接通，GPS 读数不准确……就像是灾难片中的刺激情节般的消息遍布戈达德太空飞行中心，不相关的工作人员也会每天到 SOHO 的办公室打探进展，查看探测器和地球遭受的袭击情况。
最终，随着第一个太阳黑子从太阳西边消失，只剩下第二个太阳黑子时，这种混乱的情况逐渐平静下来。与此同时，在饱经战火摧残的巴格达，摄影师哈里曼拍下了当时的太阳，他正以当地绵延8个月的战争为题材拍摄纪录片。在纪录片里满目疮痍的城市笼罩在烟幕中，影片的背景恰好捕捉到了当时的太阳。当他回放录像带时，才看到太阳表面有东西，拍摄时他根本没有注意到。这就是第二个庞大的太阳黑子，可以清晰地看到。
然而，事情并未到此结束。11月4日，航天器观测到了在第二个太阳黑子上面再次爆发了太阳耀斑，将大量物质抛射到太空中。好几个航天器上的X射线探测仪相继爆表。这使得科学家们无法准确知道这次爆发的威力，但他们很清楚一件事情，这才是本次太阳爆发最强的太阳耀斑，或许是有史以来最强的一次了。科学家们通过仪器爆表前收集的数据得出了一个看上去有点荒谬的结论：这次耀斑强度至少是上次的两倍。我的天哪，如果爆发再次袭击地球，卫星、发电厂和其他科技设备将遭到不可估量的损坏，高纬度航线上的机舱内的辐射量将会爆表。
图：SOHO 拍摄到的太阳图片
所有参与研究的科学家都屏住呼吸继续跟踪爆发，祈祷着地球能够躲过一劫。值得庆幸的是，这次爆发发生在太阳的侧面，并未朝向地球，爆发的物质抛向了深空之中。地球只是轻微受到波及。
这次太阳爆发事件史称为2003年万圣节太阳风暴。可是，不知道大家有没有注意到，在我刚才的描述中，地球上并没有出现大规模的极光，更不要说是1859年那样的罕见极光了。
在 2003 年之前，还有过两次大型的太阳磁暴。一次是发生在1972年8月4日，这正逢整个阿波罗登月计划快要结束的时候。在磁暴肆虐的每个小时里，地球周围空间充斥的辐射量是地面工作人员年辐射总量限制的9倍。磁暴持续了 15.5 个小时。如果宇航员正在月球表面或在飞行途中，他们在前 10 个小时之内就会遭受到致命的辐射量。另一次发生在1989年3月13日，强烈的太阳“风暴”使得整个魁北克有 600 万人陷入断电状态将近 9 个小时。这仅仅是北美洲若干类似发电厂紧急事件中的一件，这次太阳活动周期造成的损失最后花费了大约一亿美元来修复。
科学家们很想知道，这两次磁暴，还有万圣节风暴与1859 年的那次太阳风暴到底谁更强，不过，这个问题似乎这样问更合适：1859 年的那次风暴到底比万圣节风暴强多少。
美国宇航局喷气推进实验室的布鲁斯·鹤谷博士就致力于搞清楚这个问题。在20世纪后期的几十年里，卫星和其他空间气象设备记录了一些令人恐怖的大磁暴。然而哪一个都没有引起卡林顿事件中所报道的那种全球性的极光。鹤谷想知道卡林顿那次磁暴是否就是所有磁暴中最大的一场。
图：布鲁斯·鹤谷博士（右）
所有的迹象都显示 1859 年磁暴异常强大，尤其是在热带地区史无前例地看到了极光，但似乎没有决定性的证据来证明这次磁暴的强度。每当任何人提到卡林顿事件时，总是引用邱园记录的读数，但令人沮丧的是，那次读数超过了设备的量程。也就是说，爆表了，天知道真实的数据到底是多少。
不过，幸运的是，鹤谷在印度有了意外的发现。有一次，他到印度参加学术会议。他坐在印度地磁研究所的古巴克斯·拉辛纳教授旁边。晚饭的时候，鹤谷向拉辛纳教授说起自己无法找出卡林顿事件的可靠读数的苦恼。没想到，拉辛纳教授突然说，我这里可能有你需要的东西。鹤谷惊讶的下巴都快掉了。
第二天，拉辛纳拿了一本他在研究所档案里找到的用皮面装帧的书，书里包含着珍贵数据的图表。这是怎么回事呢？
原来，印度地磁研究所的前身是 1826 年在孟买成立的克拉巴天文台，你没听错，1826 年就成立了，中国是清朝的道光六年，实际上由东印度公司建立的，主要为了提供天文测量和计时服务，用以辅助航海工作。19世纪40年代初被造成了一个磁场观测站。他们使用的设备性能要比格林尼治天文台及邱园的落后几十年，但他们非常勤勉，工作认真。他们用小望远镜观察数米以外挂在丝线上的磁铁扭动，然后记下读数。拉辛纳找到了最早的记录，里面记着测量的结果。
从记录中可以看到，当年的那些操作人员有多勤勉，他们每个小时记下读数，从不间断。9月2日的前几个小时是这样的。在早上10点，读数表明有激动人心的事情发生了，磁铁变得“焦虑不安”。操作人员加快了记录速度，变成每15分钟一次，当磁暴变得越来越激烈时，又改成每5分钟一次。他们透过望远镜追踪磁暴一整天，之后又跟了一整夜，一直到9月3日晚上，磁暴恢复平静。这些记录被如实地记在鹤谷手里的这本书中。
这些数据让鹤谷大喜过望。他最关心的读数出现在上午11点30分，显示了发生磁暴时磁铁的最大偏转。最重要的是，这是一个清晰的没有超出可测量的范围的读数。一回到喷气推进实验室，鹤谷和同事就开始把数据输入计算机模型，揭开了卡林顿事件的真相。1859年的磁暴强度大约是1989年的3倍，也超过了1972年的事件。相比之下 2003 年万圣节的磁暴算是比较温和的了，强度只有卡林顿事件的五分之一。
卡林顿事件的确是一次完美的太阳“风暴”。鹤谷的结果开始流传后，越来越多的研究人员重燃了对1859年事件的兴趣。毕竟，通过100多年前印度的操作人员在粗糙设备上记录下来的粗糙数据，是很难获得真正令人信服的精确结论的。科学家们对鹤谷的结果依然是不满足的。我们需要更好的数据来了解太阳风暴到底有多可怕，以及它最高能达到什么样的可怕程度。
答案竟然藏在极地的冰层中，预知后事如何且听科学有故事下回分解。
最后，我让小编费尽力气找到了万圣节太阳风暴时 SOHO 卫星拍摄到的太阳表面发生罕见大耀斑时的真实影像。大家可以看到，在 10 月 28 日SOHO卫星受到的干扰，还可以清晰地看到最后那次巨大的闪光幸好是发生在太阳的侧面，没有正对着地球。