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强烈太阳风暴对地球的影响有多大?城市是否安全可能取决于地表下方的岩石类型

美国航天总署太阳动力学天文台在2017年9月所拍摄到的强烈太阳闪焰爆发。 PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

美国航天总署太阳动力学天文台在2017年9月所拍摄到的强烈太阳闪焰爆发。 PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

美国航天总署太阳动力学天文台在2017年9月所拍摄到的两次太阳闪焰爆发。 PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

美国航天总署太阳动力学天文台在2017年9月所拍摄到的两次太阳闪焰爆发。 PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

这张影像是由美国航天总署(NASA)太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory,简称SDO)在2017年9月所拍摄的太阳紫外线影像,

这张影像是由美国航天总署(NASA)太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory,简称SDO)在2017年9月所拍摄的太阳紫外线影像,可以在日面的右下角看到强烈太阳闪焰所形成的X形爆发。 PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS 编译:邱彦纶):美国地质调查所(U.S. Geological Survey,简称USGS)的最新研究显示,在强烈太阳风暴期间,每个城市会因为各地的区域地质情况,而有不同的停电风险。

我们的太阳是颗骚动不安的恒星。 当太阳特别活跃时,会喷发出大量带有磁能和带电粒子的太阳闪焰。 如果正对地球而来的闪焰不太强烈,这些来自太阳的物质会在撞击地球大气时,带来无害而又壮丽的极光。

然而,如果太阳爆发更为强大,那就有可能会产生磁暴,严重破坏地球的磁泡,并且可能会对地球的电力基础设施造成严重损坏。

而根据一项最新的研究显示,你所居住的城市是否能够平安度过强烈的磁暴,可能取决于地表下方的岩石类型。

美国地质调查所在最近的一项研究中,分析了美国东北部的不同岩石如何与磁暴相互作用。 研究结果显示,电网可能损坏的程度会因为每个地区的岩石类型,而有显著的加强或减弱。 例如,生活在新英格兰高地(New England Highlands)的民众在磁暴期间,遭受重大损害的风险更高,而中大西洋沿岸平原(Mid-Atlantic Coastal Plain)的风险则要低得多。

关于地质对太阳风暴造成的破坏的重要影响,科学家已经知道了一段时间。 但洛夫(Love)在去年12月发表于期刊《太空天气》(Space Weather)上的论文,更进一步地研究美国东北部某一特定区域,将地质差异对太阳风暴损害的影响精确量化。 虽然这项研究只针对了某个国家的某一特定地区进行研究,但它的影响却是全球性的。

目前,我们仍缺乏区域地磁风险的详细数据,对太阳风暴发生的频率、强度以及对目前科技所带来的影响,也不太清楚。 牛津大学(University of Oxford)环境变迁研究所(Environmental Change Institute)的高级研究助理爱德华. 欧捷顿(Edward Oughton)表示,这也意味对太空天气的风险评估,比飓风和地震等灾害的威胁分析还要落后数十年,这使得减灾计划变得「极具挑战性」。 而制作更详细的地电(geoelectric)风险区域地图,将有助于提供更全面的信息,目前澳洲和中国已经开始采取行动,以实现此一目标。

「以宏观的角度来看,进行这样的调查、收集地磁数据并没有非常昂贵,」美国地质调查所地磁计划(Geomagnetism Program)的负责人──地球物理学家杰弗里. 洛夫(Jeffrey Love)说:「但得要有计划地主动开始才行。 」

磁暴危害大

我们可千万不能对强烈的太阳风暴掉以轻心。 当太阳向地球喷发强烈的闪焰时,所携带的电磁能量会以光速向地球袭来,激发高层大气中的粒子,导致无线电讯号中断。 如果闪焰非常强烈,航空公司和卫星导航网络所使用的无线电通讯甚至会故障或完全无法运作。

接着在大约30分钟后,大量的电子和质子会以接近光速的速度抵达,破坏卫星上的电子电路,而置身地球磁泡(magnetic bubble)外的航天员,接受到的辐射剂量更有可能危及性命。

接下来,在爆发事件开始之后的18个小时到数天之间,会有称为「日冕巨量喷发」(corona mass ejection)的巨大电浆,以接近每秒3100公里的速度撞击地球磁泡。 这样的过程会严重干扰地球磁场,产生所谓的磁暴。

如果磁暴非常严重,会使得电网中的长导电结构产生强烈的感应电流,造成严重或甚至是永久性的损坏,还可能引发大范围的停电。 像是在1989年发生的一场磁暴,曾导致加拿大魁北克(Quebec)的大停电。 在越战期间,极端的太空天气可能还曾经导致越南近海的水雷爆炸。

1859年的「卡林顿事件」(Carrington Event),是有纪录以来最强大的磁暴之一,当时造成电报系统中断、电报发报员遭到电击。 这场磁暴所引发的极光,往南远到夏威夷都能看到,极光的亮度甚至让人能够在夜间的户外阅读报纸。 如果类似的事件在今日发生,我们日益电气化的基础设施很可能会遭受大规模的破坏,造成难以估计的损失。

太阳风暴超载

在比较小的地域范围内,地表下方的地质组成可能会对磁暴的造成的潜在威胁产生巨大影响。 英国地质调查局(British Geological Survey)的地球物理学家夏兰. 卑尔根(Ciaran Beggan)表示,沉积岩通常有含水的孔隙空间,因此具有导电性。 变质岩和火成岩的密度较高,孔隙更少,因此电阻较大。

但是在磁暴期间,异常的磁场活动会在地球表面产生感应电流,这对建造在变质岩或火成岩之上的城市来说,可能是个大麻烦。 虽然电流无法轻易地穿过这些岩石,但洛夫表示,「如果短路发生在电网所在的绝缘地面区域,那么电流就会直接穿过电网,造成损害。 」

欧洲太空总署(European Space Agency)太空态势感知计划(Space Situational Awareness Programme)的太空天气负责人尤哈-佩卡. 伦塔玛(Juha-Pekka Luntama)说道,这表示当下一次的大型磁暴来袭时,「欧洲某地区的电网可能完全没问题,但同一事件却会对仅数百公里外的电网造成严重的影响。 」

这种效应放诸四海皆准。 卑尔根表示,像是苏格兰北部有许多的电阻性岩石,这表示当地的电网可能受到强力的大地电场(geoelectric fields)带来危害的风险更高。 相反地,在英格兰南部则大都是低风险的沉积岩。

沿海地区的问题又更复杂了,海岸线有高电阻的沙和导电的海水。 卑尔根说,这会产生「信道效应」,电流会沿着海岸线增强。 对沿着海岸线建造的电网来说,可是个坏消息。

洛夫团队的最新研究工作,取得了天文台所侦测到的磁暴纪录,然后结合局部磁场与相关电场的最新调查。 这样一来,他们可以计算过去曾伴随磁暴产生的大量电流,用以仿真未来类似强度的事件。

研究团队发现,不同地区的损害风险差异很大,有些电阻性岩石能将该区域的地电危险提高100倍。 阿帕拉契山脉(Appalachian Mountains)含有大量的火成岩和变质岩,这代表坐落在山顶上的电网在下一次太阳风暴时,会遭受巨大的损害。

洛夫表示,电网的方向影响也很大。 与阿巴拉契亚山脉方向垂直的电网,会比平行的电网带来更大的损害风险。

紧盯太阳

此外,我们还得了解强大的磁暴有多常发生。 不幸的是,现代仪器是从约70年前才开始追踪磁暴,这表示我们对磁暴的纪录其实并不完整。
这就是为什么有些科学家一直试图挖掘古老数据的原因。 在3月初出刊的《美国国家科学院院刊》(PNAS)中,由隆德大学(Lund University)的莱蒙德. 穆斯切勒(Raimund Muscheler)所领导的研究团队,检视了树木年轮和冰芯中的化学指纹,他们发现在公元前660年左右,曾有太阳风暴袭击地球的证据。 这场风暴的强度,比1956年发生的强烈太阳风暴还要强上10倍。

然而,这些数据非常不易判读。 因此,想要发现深藏其中的真正太阳风暴证据,是项十分棘手的任务,穆斯切勒说:「我认为目前我们遗失了介于非常强烈太阳风暴[像是发生在公元前660年的那次]和1956年太阳风暴规模之间的所有事件。 」

同时,也有许多研究团队致力于研究未来的太阳风暴何时会发生,以减轻可能的危害,欧洲太空总署也是其中之一。

如果欧洲太空总署的拉格朗日(Lagrange)任务在11月下旬获得资金支持,这颗卫星将在太阳附近停泊,留意任何即将发生的太阳爆发,并警告地球上的人类。 这样一来,在来自太阳的危险粒子抵达地球之前,电力公司就能尽量打开更多电路,以分散整个系统中的多余电力。




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