淺談太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類生活的影響.doc

淺談太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類生活的影響 劉仁宇 （武漢大學(xué)附屬中學(xué)高三班湖北武漢） 摘要：太陽(yáng)作為地球的能量之源提供了地球以上的能源。文章簡(jiǎn)單介紹了太陽(yáng)對(duì)地球的能量傳輸，包括太陽(yáng)電磁輻射和太陽(yáng)風(fēng)，闡述了太陽(yáng)風(fēng)暴的概念、形成和表現(xiàn)形式以及太陽(yáng)活動(dòng)周期，并簡(jiǎn)要分析了超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴可能出現(xiàn)的條件。介紹了太陽(yáng)風(fēng)暴引起的地球空間環(huán)境的變化及其對(duì)人類生活造成的影響，回顧了近年較大的幾次太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類生活造成的顯著災(zāi)害；最后介紹了人類對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴的監(jiān)測(cè)和預(yù)警現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)風(fēng)暴；地球空間環(huán)境；地磁暴；太陽(yáng)風(fēng)；災(zāi)害性空間天氣；太陽(yáng)活動(dòng)周期 ：N91：50337 背景 年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在一份特別報(bào)告中警告稱，新一輪太陽(yáng)活躍期即將到來(lái)，并將在年達(dá)到頂峰，屆時(shí)地球可能面臨超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴的襲擊。 如果超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴來(lái)襲，地球空間環(huán)境和人類生活將會(huì)受到什么影響？美國(guó)國(guó)家地理雜志的一個(gè)科教短片太陽(yáng)風(fēng)暴非常生動(dòng)地回答了這個(gè)問(wèn)題。短片開(kāi)頭這樣描述：“在外太空有一種武器威力比原子彈強(qiáng)億倍，一次攻擊就能讓地球上的一塊大陸陷入黑暗，瞬間從太空時(shí)代退回石器時(shí)代。這種攻擊并非人類武器，而是于太陽(yáng)?！逼忻枋隽四暝绿?yáng)風(fēng)暴給人類活動(dòng)帶來(lái)的一些災(zāi)害。年月發(fā)生了近代科學(xué)史上罕有的超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴。在此期間，由于高層大氣加熱、膨脹使衛(wèi)星高度的大氣阻力增加，使“太陽(yáng)峰年衛(wèi)星”提前隕落、大量飛行物軌道改變，造成新發(fā)射飛行物的跟蹤辨認(rèn)困難；美國(guó)民用、軍用極軌低高度氣象衛(wèi)星無(wú)法釋放因磁場(chǎng)異常變化所積累的力矩，而影響姿態(tài)。對(duì)地靜止通信衛(wèi)星為維持其正常姿態(tài)，兩天內(nèi)所耗的燃料相當(dāng)于正常運(yùn)行一年的用量；這期間因電離層擾動(dòng)，低緯度無(wú)線電通訊幾乎完全失效，輪船、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)失靈，海軍的衛(wèi)星高頻通訊網(wǎng)絡(luò)在全球范圍發(fā)生中斷；高能粒子流量這期間的突然增加，致使日本同步氣象衛(wèi)星指令系統(tǒng)一半失效或永久損壞，宇航員眼睛的視網(wǎng)膜受到高能粒子轟擊而閃光；加拿大魁北克省輸電系統(tǒng)因強(qiáng)大的感應(yīng)電流燒毀了主變壓器而引起電網(wǎng)損壞，萬(wàn)居民停電h之久，損失功率近億瓦，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)億美元。在這個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)高峰期里，高能粒子造成我國(guó)“風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星于年提前報(bào)廢。這次空間災(zāi)害性天氣事件，給眾多國(guó)家的空間、地面技術(shù)系統(tǒng)造成了巨大損失，使政府有關(guān)部門(mén)和日地物理學(xué)家、衛(wèi)星工程技術(shù)專家認(rèn)識(shí)到，人類社會(huì)發(fā)展所面臨的空間災(zāi)害的嚴(yán)重性。 太陽(yáng)風(fēng)暴的概念及形成 日地能量傳輸 對(duì)于地球而言，太陽(yáng)是我們的能量之源，地球誕生以來(lái)所消耗的能源以上都于太陽(yáng)。太陽(yáng)的能量之大是我們無(wú)法想象的，在太陽(yáng)風(fēng)暴短片中講到，太陽(yáng)的能量其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，這種反應(yīng)每秒產(chǎn)生的能量比地球誕生以來(lái)所消耗的所有能量還多。日常生活中，我們首先感受到的太陽(yáng)能量就是陽(yáng)光的照射。由于陽(yáng)光對(duì)地球的直射點(diǎn)在南北回歸線之間移動(dòng)造成地球上的冬夏交替，讓我們感受到冬天的寒冷和夏天的炎熱。武漢的夏日，烈日當(dāng)空，站在大太陽(yáng)下不動(dòng)都渾身冒汗，但如果能躲進(jìn)樹(shù)蔭立刻倍感涼爽。武漢的冬天則是天寒地凍，身上裹得像個(gè)粽子也抵不住陣陣寒意，但如果能陽(yáng)光下曬上幾分鐘，立刻覺(jué)得渾身舒坦。僅僅由于陽(yáng)光對(duì)地球直射點(diǎn)的少許變化就造成四季溫度的巨大差異，太陽(yáng)的威力可見(jiàn)一斑。此外，由于陽(yáng)光對(duì)大氣的加熱在不同季節(jié)和不同緯度都不相同，還會(huì)造成地球高層大氣的全球尺度環(huán)流。實(shí)際上，陽(yáng)光除了對(duì)地球提供熱能，還能造成高層大氣的電離進(jìn)而形成導(dǎo)電層，而正是地球上空的導(dǎo)電層讓人類的遠(yuǎn)程無(wú)線電通信成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)然，造成大氣電離的陽(yáng)光并非我們熟悉的可見(jiàn)光，而是遠(yuǎn)紫外波段和射線波段的太陽(yáng)光輻射。 我們知道，光其實(shí)是一種電磁波，太陽(yáng)可見(jiàn)光和其他波段的光輻射統(tǒng)稱為太陽(yáng)電磁輻射。太陽(yáng)在以電磁輻射的形式向地球提供能量的同時(shí)，還以另一種形式也在向地球源源不斷地提供能量，前文所說(shuō)的太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)地球的襲擊正是后一種形式的巨大能量。 太陽(yáng)風(fēng)暴的形成原因 太陽(yáng)風(fēng) 大約年前，人們發(fā)現(xiàn)每次太陽(yáng)出現(xiàn)大耀斑之后天，地磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生顯著變化，這使人們想到太陽(yáng)耀斑可能伴隨著太陽(yáng)粒子發(fā)射，由于太陽(yáng)和地球相距大約億千萬(wàn)公里，天的滯后時(shí)間表明這種粒子發(fā)射的運(yùn)行速度約為kms，也就是數(shù)百萬(wàn)kmh。經(jīng)過(guò)幾十年的探索和研究，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)上的這種粒子發(fā)射是連續(xù)不斷的，我們稱之為“太陽(yáng)風(fēng)”。與地球上我們熟知的風(fēng)大不相同，太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)大氣不斷向外噴發(fā)的帶電粒子流，典型速度大約kms，也就是萬(wàn)kmh，最高速度超過(guò)萬(wàn)kmh，而地球上最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)速度才幾百kmh。太陽(yáng)每時(shí)每刻都在以這種“風(fēng)”的形式向地球輸入能量，但這種能量輸入主要發(fā)生在極區(qū)，然后通過(guò)在地球空間的能量釋放過(guò)程造成全球性的影響，而太陽(yáng)電磁輻射在向陽(yáng)面所有緯度都有能量輸入。太陽(yáng)活動(dòng)平靜期，太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球的能量輸入與電磁輻射的能量輸入大致相當(dāng)，但在太陽(yáng)活動(dòng)活躍期，太陽(yáng)風(fēng)攜帶的物質(zhì)和能量顯著增強(qiáng)。 太陽(yáng)風(fēng)暴的表現(xiàn)形式 通俗地說(shuō)，太陽(yáng)風(fēng)暴就是太陽(yáng)表面的大爆炸，大爆炸首先表現(xiàn)為太陽(yáng)耀斑。一次太陽(yáng)耀斑爆發(fā)的能量可以提供美國(guó)數(shù)千年電力。耀斑產(chǎn)生增強(qiáng)的電磁輻射，min就可以到達(dá)地球，引起低層大氣電離增強(qiáng)和強(qiáng)烈的無(wú)線電波吸收，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)向陽(yáng)面的的無(wú)線電通信中斷。h之后，高能粒子到達(dá)地球，對(duì)太空中的宇航員帶來(lái)致命傷害，衛(wèi)星的許多電子器件和太陽(yáng)能電池板也會(huì)造成毀滅性破壞。 太陽(yáng)耀斑能量驚人，卻還并非造成年月魁北克大停電的元兇，而只是一場(chǎng)驚人破壞的第一階段，耀斑就好比開(kāi)槍后的閃光，造成破壞的是隨即而至的子彈，也就是跟隨在耀斑之后的日冕物質(zhì)拋射。一次日冕物質(zhì)拋射可以攜帶數(shù)十億t的物質(zhì)并加速到數(shù)百萬(wàn)kmh，其h內(nèi)的能量可以提供美國(guó)萬(wàn)年的電力。日冕物質(zhì)拋射也可以看成是顯著增強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)，它向地球輸送的大量物質(zhì)和能量引起地球空間環(huán)境的巨大變化，進(jìn)而對(duì)人類活動(dòng)造成不可估量的災(zāi)害，我們稱之為地磁暴。地磁暴可以導(dǎo)致強(qiáng)大的地面感應(yīng)電流，足以摧毀人類的任何大型地面電網(wǎng)，還會(huì)造成輸油管道的破壞，導(dǎo)致大面積供電中斷和石油泄漏，所幸這種強(qiáng)大的地面感應(yīng)電流只在局部出現(xiàn)，但太陽(yáng)風(fēng)暴越強(qiáng)，其可能出現(xiàn)的區(qū)域也越廣。地磁暴還會(huì)強(qiáng)烈改變高層大氣的電離屬性，造成衛(wèi)星導(dǎo)航以及飛機(jī)或艦船的導(dǎo)航信息達(dá)到幾公里的誤差，甚至造成導(dǎo)航和通信鏈路的中斷。地磁暴造成低層大氣加熱上升導(dǎo)致衛(wèi)星軌道高度的大氣密度增加，衛(wèi)星運(yùn)行阻力增大而掉落失蹤，甚至墜毀。年月磁暴期間，美國(guó)宇航局的太空實(shí)驗(yàn)室就因空氣阻力增大逐漸脫離軌道，最終墜落墜毀在印度洋和西澳大利亞上空。 太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類生活的影響 以往太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類生活造成的顯著災(zāi)害 過(guò)去年里，已有多次太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類活動(dòng)造成顯著災(zāi)害性影響。年月的強(qiáng)磁暴造成美國(guó)緬因州核電廠發(fā)生災(zāi)難性破壞；年月的太陽(yáng)爆發(fā)事件使美國(guó)公司一顆價(jià)值億美元，設(shè)計(jì)使用壽命年的同步軌道通訊衛(wèi)星僅服務(wù)年就提前報(bào)廢，損失高達(dá)億美元；年月的多次太陽(yáng)爆發(fā)事件導(dǎo)致美國(guó)銀河四號(hào)通訊衛(wèi)星失效和一顆德國(guó)科學(xué)衛(wèi)星報(bào)廢，無(wú)數(shù)的通信中斷造成金融交易陷入混亂；年月日歐美的、等重要科學(xué)研究衛(wèi)星受到嚴(yán)重?fù)p害，如美歐合作耗資億美元的太陽(yáng)科學(xué)衛(wèi)星的探測(cè)器減壽一年，日本的衛(wèi)星失控，衛(wèi)星的計(jì)算機(jī)遭到破壞；年月底至月初的太陽(yáng)爆發(fā)事件產(chǎn)生廣泛的影響：瑞典的電力集團(tuán)報(bào)道，北歐上空強(qiáng)烈的地磁誘導(dǎo)電流引起了變壓器事故，導(dǎo)致一套系統(tǒng)崩潰及電力供應(yīng)中斷。航空公司在其高緯度航線中采取了從沒(méi)有過(guò)的飛行方式來(lái)避開(kāi)高輻射能級(jí)和通信中斷區(qū)域。航程變更給航空公司的每次飛行增加了美元的開(kāi)支。該太陽(yáng)風(fēng)暴被懷疑是導(dǎo)致價(jià)值美元的飛行器損毀。由于此次太陽(yáng)爆發(fā)的高強(qiáng)度和變化性，絕大多數(shù)易受空間天氣攻擊的工業(yè)部門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中都經(jīng)受了某種程度的影響。 年月的太陽(yáng)風(fēng)暴雖然是迄今為止對(duì)人類活動(dòng)造成破壞最嚴(yán)重的災(zāi)害性空間天氣事件，但還并非史上最強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴。年月日早晨，英國(guó)天文學(xué)家理查德卡林頓用裝著過(guò)濾器的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)表面時(shí)，他發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)表面噴射出了一道明亮的閃光。然而卡林頓不知道的是，那團(tuán)明亮的斑點(diǎn)是一團(tuán)帶著電荷的等離子云，它正朝著地球的方向疾速飛來(lái)。小時(shí)后，“超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴”就襲擊了地球，導(dǎo)致熱帶地區(qū)的夜空都能看到極光，這些極光是如此明亮，以至于人們?cè)谖缫箷r(shí)分不用點(diǎn)燈都能閱讀報(bào)紙?！俺?jí)太陽(yáng)風(fēng)暴”導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的許多電報(bào)機(jī)都癱瘓。這次太陽(yáng)風(fēng)暴是有記錄以來(lái)強(qiáng)度最大的一次，如果用參數(shù)來(lái)衡量，它所造成的地磁暴強(qiáng)度達(dá)到年月地磁暴的倍。不過(guò)在年，世界主要還依靠蒸汽機(jī)和肌肉勞力在運(yùn)轉(zhuǎn)，所以當(dāng)年的“超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴”并沒(méi)有給人類帶來(lái)過(guò)于嚴(yán)重的災(zāi)難。 太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)當(dāng)今人類生活的影響 時(shí)至今日，人類生活變得越來(lái)越復(fù)雜，更擁有前所未有的先進(jìn)科技，但科技給人類帶來(lái)的方便和自由在太陽(yáng)風(fēng)暴來(lái)襲時(shí)恰恰成為我們的弱點(diǎn)。如果再發(fā)生一次和年同樣級(jí)別的太陽(yáng)風(fēng)暴，雖然生命不會(huì)受到威脅，但地球上所有依賴電力的設(shè)施和系統(tǒng)都可能受到毀滅性打擊?；氐奖疚牡拈_(kāi)始，美國(guó)科學(xué)院預(yù)計(jì)的超強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴在年并未出現(xiàn)，這種預(yù)計(jì)的依據(jù)是什么？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們首先需要了解太陽(yáng)活動(dòng)的特點(diǎn)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)活動(dòng)呈現(xiàn)年的周期，大約每年達(dá)到一次太陽(yáng)活動(dòng)峰值，在太陽(yáng)活動(dòng)峰年期間容易發(fā)生強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴。這種太陽(yáng)活動(dòng)周期的另一個(gè)特點(diǎn)是如果前一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的下降期特別長(zhǎng)，下一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的上升期可能特別短，可能達(dá)到的峰值也異常大。年的超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴正是發(fā)生在這種情況。年也是類似，上一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的下降期按趨勢(shì)應(yīng)該在年結(jié)束，并開(kāi)始新一輪活動(dòng)周的上升期，但直到年，新一輪太陽(yáng)活動(dòng)仍未有上升的跡象，這與年前后的太陽(yáng)活動(dòng)特征很相似，因此科學(xué)家們警告在新一輪太陽(yáng)活動(dòng)峰年，也就是年可能發(fā)生前所未有的超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴。 結(jié)語(yǔ) 雖然年預(yù)言并未成真，人類這次躲過(guò)一劫，但在不久的將來(lái)是否會(huì)出現(xiàn)和年同樣級(jí)別甚至更強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴呢？如果真的來(lái)襲，人類又該如何應(yīng)對(duì)呢？專家指出，要應(yīng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)暴，首先需要提高對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的預(yù)報(bào)能力，其次需要了解太陽(yáng)風(fēng)暴可能給地球帶來(lái)的影響。近年來(lái)，越來(lái)越多的