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人文科普：讓美國總統如臨大敵的，是來自太陽的ta
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在人們的印象中，美國總統關心的都是大選的得票率、美軍航母的部署位置和大國間關係的處理這類政治領域的事務，除非外星人某天真的如電影裏那樣入侵地球（目前我們依舊沒有發現外星人），美國總統似乎很難與太空中發生的事情發生聯係。
然而，2016年10月，時任美國總統的奧巴馬簽署了題為《協調努力為國家做好空間天氣事件的準備》的總統行政命令，要求NASA和國防部、國土安全部、內政部、商務部等部門一起，為應對太陽風暴所帶來的危害做好準備。麵對給予我們光和熱的太陽，美國總統為何如臨大敵？以下幾個襲擊地球的超強太陽風暴，會為您給出這個問題的答案。
奇妙現象：1859年的“卡靈頓事件”
1859年9月1日，英國天文學家理查德·卡靈頓（Richard Carrington）正在像往常一樣進行太陽黑子的觀測。在當時，太陽黑子的觀測是通過一種投影方法進行的。通過在望遠鏡後麵連接一個塗抹了特殊塗料的玻璃片，太陽的影像在經過望遠鏡的光路後，就會被投射到玻璃片上。太陽黑子所在的區域的亮度低於其他區域，天文學家通過辨別太陽投影上的較暗區域的位置，就能對黑子進行記錄。
在觀測進行過程中，卡靈頓突然發現，投影圖像上一個巨大的黑子區域出現了強烈的閃光。閃光持續一段時間後，甚至燒壞了投影用的玻璃底板，卡靈頓不得不叫觀測助手趕緊換上來一塊新底板以繼續觀測。
當意識到這是一種前所未見的天文現象後，卡靈頓跑出觀測室，心急火燎地叫來其他天文學家一起見證這一奇觀。然而僅僅過了一分鍾後，當眾人回到望遠鏡前時，強烈的閃光卻已經消失了。
Richard Carrington (05/26/1826–11/27/1875)（圖片來源：）
卡林頓在1859年9月1日的素描的太陽黑子。A和B標記了一個強烈的明亮事件的初始位置，該事件在消失之前經過五分鍾的時間移動到C和D。（圖片來源：維基百科）
按照今天我們對太陽爆發的認識，卡靈頓當時觀察到的是一種名叫“太陽耀斑（solar flare）”的太陽爆發現象。
太陽耀斑是太陽大氣中能量劇烈釋放的局部爆發現象，表現為太陽表麵強烈而急促的增亮。耀斑爆發的能量釋放過程一般在幾秒到幾分鍾內即可完成，可以引起太陽輻射能譜中從長波射電到gamma射線、跨越17個波長量級的輻射增強，一次強太陽耀斑釋放的能量相當於數百顆威力巨大的氫彈同時爆炸。
現在，我們觀測耀斑的主要手段是利用太空中的衛星，在不受大氣層遮擋的情況下觀察耀斑在X射線、極紫外等人眼無法識別的波段進行觀測。而像卡靈頓遇到的那樣，能夠通過肉眼識別出來的白光耀斑，是耀斑家族中能量釋放最劇烈的一類。
在2014年10月26日爆發的巨型耀斑（圖片來源：NASA/SDO）
強烈的耀斑一般伴隨著另一種劇烈的爆發現象——日冕物質拋射（coronal mass ejection，簡稱CME）。
NASA發射的SDO衛星在極紫外波段觀測到的一次日冕物質拋射（圖片來源：NASA）
夏季北京的傍晚常有強烈的雷雨發生。當雷雨到來前，我們首先會看到遠方烏雲中的閃電，一段時間後，狂風便會夾雜著驟雨侵襲而來。
在較強的太陽爆發中，耀斑和閃電類似，而日冕物質拋射和狂風驟雨類似。“卡靈頓事件”中的日冕物質拋射，僅花了17個小時左右就到達了地球，比一般的日冕物質拋射快了好幾倍，引起地球磁場的劇烈顫動。當時，英國皇家學會剛剛安裝了能夠自動測量記錄地磁場變化的儀器。
英國皇家協會記錄下的“卡靈頓事件”中地磁場的強烈波動（圖片來源： British Geological Survey）
英國地球物理學家鮑爾弗·斯特沃特（Balfour Stewart）通過分析地磁數據，將地磁場的變化和卡靈頓觀測到的太陽耀斑聯係了起來，開創了日地物理學和空間天氣學研究的先河。
Balfour Stewart (11/01/1828–19/12/1887)（圖片來源：維基百科）
在此之前，天文學家和地球物理學家隻關心太陽和地球本身的變化，而在這次被稱為“卡靈頓事件”的太陽風暴過程中，科學家們開始在太陽活動和地球空間環境的變化間建立聯係。
1859年的人類社會，離電氣化時代尚遠，因此這次太陽風暴帶給人們的更多的是奇妙的自然景觀。強度較低的太陽風暴隻會在地球的南北兩極附近產生極光，隨著太陽風暴的強度的增高，極光的可見範圍會逐漸向地球赤道方向擴展。
美麗的極光，拍攝於俄羅斯Ryazan地區（圖片來源：rt.com）
在“卡靈頓事件”中，美國全境都可以在夜間觀察到極光現象，在美國西北部地區，明亮的極光甚至可以讓人們在夜間輕鬆地看報。在落基山脈，明亮的極光讓礦工們誤認為新的一天已經到來，在午夜起床準備早飯。
有些美國人對這種奇觀表現出恐懼，但更多美國人被絢爛的極光所吸引，記錄下了他們觀察到的極光形態。在距離地球赤道更近的夏威夷、墨西哥等地，也有極光觀測的記錄。在我國河北省石家莊市欒城區的地方誌《欒城縣誌》中，也有一段對這次事件中極光現象的記錄：“清官鹹豐九年……,秋八月癸卯夜，赤氣起於西北，亙於東北，平明始滅。”
然而，也有一些人切身感受到了太陽風暴對人類活動的影響。當時，用於遠距離通信的電報網絡已經初具規模。在地磁暴發生時，地磁場巨大的變化會在輸送電報的長距離線路中產生地磁感應電流。在“卡靈頓事件”之前，電報員們就已經注意到，一旦極光活動增強，電報信號中便會出現一些莫名其妙的錯誤電碼，使得電報網絡在一段時間內無法正常工作，這便是地磁感應電流在作怪。
在“卡靈頓事件”期間，地磁感應電流比以往更加強烈，沒有了之前幹擾電報傳輸的起伏，反倒使費城和波士頓間的電報線路，在關閉電源後仍能依靠來自天空中的地磁感應電流繼續工作。
在美國首都華盛頓特區，一個倒黴的電報員親身體驗了太陽風暴的威力：他在工作過程中，一隻手撫摸著連接著電報線路的鐵盤，而額頭恰好接近了接地線。他的前額處隨即出現了電火弧，強烈的電擊湧過了他的身體。好在這位電報員並沒有什麽大礙，之後還能清晰的回憶起當時的經曆。
大停電：1989年3月的太陽風暴
1989年，太陽進入了第22太陽活動周期（Solar Cycle 22,簡稱SC22）的上升期，太陽黑子開始不斷在太陽表麵浮現。
太陽黑子是指，太陽的光球表麵有時會出現一些暗的區域，它是磁場聚集的地方。黑子是太陽表麵在可見光波段可以觀察到的最顯著的現象，一個中等大小的黑子大概和地球的大小差不多。3月，一個巨大的黑子群出現在了太陽觀測設備的視野中，其大小大概相當於54個地球。不少當時的空間天氣研究人員和預報員都表示，這是他們有生之年第一次目睹如此巨大的黑子群。
第24個太陽活動周期（SC24）的黑子群AR12192，與SC22相比還是小很多（圖片來源：www.thesuntoday.com）
在隨後的3月6日至19日中，這個黑子群上共發生了多達195次耀斑爆發，其中有11次為極其強烈的X級耀斑。3月10日，美國的SMM衛星探測到了太陽上的一個強CME爆發正向地球湧來。在計算CME從太陽傳播到地球所需要的時間後，美國空間環境中心（SEC，現已更名為空間天氣預報中心，即SWPC）將3月12日至13日的地磁活動活動水平預報為“較強”。
據事後統計，在本次事件期間，該中心共向北美地區發出了多達415份一般預報和37份緊急警報，但由於其他工業部門對空間天氣效應了解與準備不足，還是釀成了一次損失重大的停電事故。
3月13日，在CME造成的強地磁暴開始後不久，強大的地磁感應電流使得加拿大魁北克省詹姆士灣地區電網中的七個電壓調節設備在59秒內相繼失效。電網中的電壓隨即出現了約15%的波動。
電壓的突然變化引起了電網中的多米諾骨牌效應：向蒙特利爾輸電的五條高壓輸電線癱瘓，有些輸電線上還出現了電火花，令電網損失了9450MW的功率，從而讓電網正常工作的其他部分進入了超負荷狀態。在希布加莫，兩台大型變壓器因此退出服務。丘吉爾瀑布發電廠和馬尼誇根-烏塔爾德發電廠因為超負荷保護而自動停止工作。在90秒內，魁北克地區的電網徹底崩潰，除了無法繼續為本區內19400MW的負荷供電外，魁北克電網輸送給新英格蘭地區電網的1325MW功率也無以為繼。
強地磁暴造成電網崩潰（圖片來源：Market Business News）
電網的崩潰使超過六百萬居民失去了供電，占了當時加拿大總人口數的近四分之一。當時，正值加拿大的嚴寒季節，電力係統的崩潰給加當地人民生活帶來了很大不便。為了恢複供電，魁北克電網不得不請求北美其他電網係統支援，通過應急購買其他電網電能的方式進行搶險。但即便在采取措施的情況下，仍有約17%的用戶在9小時後無法恢複供電，需要繼續等待好幾天才重新有電可用。
據統計，這次太陽風暴給魁北克電網造成了一千萬美元的直接損失，而停電給用戶造成的間接損失則高達數億美元。在後來電力行業召開的業內會議上，北美地區的電網運營人員發現了一個更令人恐懼的事實：由於魁北克省的電網係統與美國東北部地區的電網是相連接的，魁北克電網的崩潰也給美國東北部地區的電網造成了壓力。
如果地磁暴的影響再強烈一些，包括紐約、波士頓、費城和首都華盛頓在內的美國東北部地區的電網也將崩潰。相比地廣人稀的加拿大，美國東北部地區的人口則相當稠密，造成的影響和損失也將更大。
燈光密集的美國東部（圖片來源：NASA）
1989年3月的太陽風暴第一次真切地影響到了普羅大眾的生活，人們開始認識到，空間天氣並非隻是學者們關心的自然現象，更是與人們的日常生活與社會正常運行息息相關的領域。
然而，超強太陽風暴的故事並未到此結束。在2003年萬聖節期間，超強太陽風暴的再次襲擊讓人們體驗到了惡劣的空間天氣對人類社會的全方位影響。欲知後事如何，且聽下回分解。
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
出品：科普中國
製作：中國科學院國家空間科學中心 李會超
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
然而，2016年10月，時任美國總統的奧巴馬簽署了題為《協調努力為國家做好空間天氣事件的準備》的總統行政命令，要求NASA和國防部、國土安全部、內政部、商務部等部門一起，為應對太陽風暴所帶來的危害做好準備。麵對給予我們光和熱的太陽，美國總統為何如臨大敵？以下幾個襲擊地球的超強太陽風暴，會為您給出這個問題的答案。
奇妙現象：1859年的“卡靈頓事件”
1859年9月1日，英國天文學家理查德·卡靈頓（Richard Carrington）正在像往常一樣進行太陽黑子的觀測。在當時，太陽黑子的觀測是通過一種投影方法進行的。通過在望遠鏡後麵連接一個塗抹了特殊塗料的玻璃片，太陽的影像在經過望遠鏡的光路後，就會被投射到玻璃片上。太陽黑子所在的區域的亮度低於其他區域，天文學家通過辨別太陽投影上的較暗區域的位置，就能對黑子進行記錄。
在觀測進行過程中，卡靈頓突然發現，投影圖像上一個巨大的黑子區域出現了強烈的閃光。閃光持續一段時間後，甚至燒壞了投影用的玻璃底板，卡靈頓不得不叫觀測助手趕緊換上來一塊新底板以繼續觀測。
當意識到這是一種前所未見的天文現象後，卡靈頓跑出觀測室，心急火燎地叫來其他天文學家一起見證這一奇觀。然而僅僅過了一分鍾後，當眾人回到望遠鏡前時，強烈的閃光卻已經消失了。
Richard Carrington (05/26/1826–11/27/1875)（圖片來源：）
卡林頓在1859年9月1日的素描的太陽黑子。A和B標記了一個強烈的明亮事件的初始位置，該事件在消失之前經過五分鍾的時間移動到C和D。（圖片來源：維基百科）
按照今天我們對太陽爆發的認識，卡靈頓當時觀察到的是一種名叫“太陽耀斑（solar flare）”的太陽爆發現象。
太陽耀斑是太陽大氣中能量劇烈釋放的局部爆發現象，表現為太陽表麵強烈而急促的增亮。耀斑爆發的能量釋放過程一般在幾秒到幾分鍾內即可完成，可以引起太陽輻射能譜中從長波射電到gamma射線、跨越17個波長量級的輻射增強，一次強太陽耀斑釋放的能量相當於數百顆威力巨大的氫彈同時爆炸。
現在，我們觀測耀斑的主要手段是利用太空中的衛星，在不受大氣層遮擋的情況下觀察耀斑在X射線、極紫外等人眼無法識別的波段進行觀測。而像卡靈頓遇到的那樣，能夠通過肉眼識別出來的白光耀斑，是耀斑家族中能量釋放最劇烈的一類。
在2014年10月26日爆發的巨型耀斑（圖片來源：NASA/SDO）
強烈的耀斑一般伴隨著另一種劇烈的爆發現象——日冕物質拋射（coronal mass ejection，簡稱CME）。
NASA發射的SDO衛星在極紫外波段觀測到的一次日冕物質拋射（圖片來源：NASA）
夏季北京的傍晚常有強烈的雷雨發生。當雷雨到來前，我們首先會看到遠方烏雲中的閃電，一段時間後，狂風便會夾雜著驟雨侵襲而來。
在較強的太陽爆發中，耀斑和閃電類似，而日冕物質拋射和狂風驟雨類似。“卡靈頓事件”中的日冕物質拋射，僅花了17個小時左右就到達了地球，比一般的日冕物質拋射快了好幾倍，引起地球磁場的劇烈顫動。當時，英國皇家學會剛剛安裝了能夠自動測量記錄地磁場變化的儀器。
英國皇家協會記錄下的“卡靈頓事件”中地磁場的強烈波動（圖片來源： British Geological Survey）
英國地球物理學家鮑爾弗·斯特沃特（Balfour Stewart）通過分析地磁數據，將地磁場的變化和卡靈頓觀測到的太陽耀斑聯係了起來，開創了日地物理學和空間天氣學研究的先河。
Balfour Stewart (11/01/1828–19/12/1887)（圖片來源：維基百科）
在此之前，天文學家和地球物理學家隻關心太陽和地球本身的變化，而在這次被稱為“卡靈頓事件”的太陽風暴過程中，科學家們開始在太陽活動和地球空間環境的變化間建立聯係。
1859年的人類社會，離電氣化時代尚遠，因此這次太陽風暴帶給人們的更多的是奇妙的自然景觀。強度較低的太陽風暴隻會在地球的南北兩極附近產生極光，隨著太陽風暴的強度的增高，極光的可見範圍會逐漸向地球赤道方向擴展。
美麗的極光，拍攝於俄羅斯Ryazan地區（圖片來源：rt.com）
在“卡靈頓事件”中，美國全境都可以在夜間觀察到極光現象，在美國西北部地區，明亮的極光甚至可以讓人們在夜間輕鬆地看報。在落基山脈，明亮的極光讓礦工們誤認為新的一天已經到來，在午夜起床準備早飯。
有些美國人對這種奇觀表現出恐懼，但更多美國人被絢爛的極光所吸引，記錄下了他們觀察到的極光形態。在距離地球赤道更近的夏威夷、墨西哥等地，也有極光觀測的記錄。在我國河北省石家莊市欒城區的地方誌《欒城縣誌》中，也有一段對這次事件中極光現象的記錄：“清官鹹豐九年……,秋八月癸卯夜，赤氣起於西北，亙於東北，平明始滅。”
然而，也有一些人切身感受到了太陽風暴對人類活動的影響。當時，用於遠距離通信的電報網絡已經初具規模。在地磁暴發生時，地磁場巨大的變化會在輸送電報的長距離線路中產生地磁感應電流。在“卡靈頓事件”之前，電報員們就已經注意到，一旦極光活動增強，電報信號中便會出現一些莫名其妙的錯誤電碼，使得電報網絡在一段時間內無法正常工作，這便是地磁感應電流在作怪。
在“卡靈頓事件”期間，地磁感應電流比以往更加強烈，沒有了之前幹擾電報傳輸的起伏，反倒使費城和波士頓間的電報線路，在關閉電源後仍能依靠來自天空中的地磁感應電流繼續工作。
在美國首都華盛頓特區，一個倒黴的電報員親身體驗了太陽風暴的威力：他在工作過程中，一隻手撫摸著連接著電報線路的鐵盤，而額頭恰好接近了接地線。他的前額處隨即出現了電火弧，強烈的電擊湧過了他的身體。好在這位電報員並沒有什麽大礙，之後還能清晰的回憶起當時的經曆。
大停電：1989年3月的太陽風暴
1989年，太陽進入了第22太陽活動周期（Solar Cycle 22,簡稱SC22）的上升期，太陽黑子開始不斷在太陽表麵浮現。
太陽黑子是指，太陽的光球表麵有時會出現一些暗的區域，它是磁場聚集的地方。黑子是太陽表麵在可見光波段可以觀察到的最顯著的現象，一個中等大小的黑子大概和地球的大小差不多。3月，一個巨大的黑子群出現在了太陽觀測設備的視野中，其大小大概相當於54個地球。不少當時的空間天氣研究人員和預報員都表示，這是他們有生之年第一次目睹如此巨大的黑子群。
第24個太陽活動周期（SC24）的黑子群AR12192，與SC22相比還是小很多（圖片來源：www.thesuntoday.com）
在隨後的3月6日至19日中，這個黑子群上共發生了多達195次耀斑爆發，其中有11次為極其強烈的X級耀斑。3月10日，美國的SMM衛星探測到了太陽上的一個強CME爆發正向地球湧來。在計算CME從太陽傳播到地球所需要的時間後，美國空間環境中心（SEC，現已更名為空間天氣預報中心，即SWPC）將3月12日至13日的地磁活動活動水平預報為“較強”。
據事後統計，在本次事件期間，該中心共向北美地區發出了多達415份一般預報和37份緊急警報，但由於其他工業部門對空間天氣效應了解與準備不足，還是釀成了一次損失重大的停電事故。
3月13日，在CME造成的強地磁暴開始後不久，強大的地磁感應電流使得加拿大魁北克省詹姆士灣地區電網中的七個電壓調節設備在59秒內相繼失效。電網中的電壓隨即出現了約15%的波動。
電壓的突然變化引起了電網中的多米諾骨牌效應：向蒙特利爾輸電的五條高壓輸電線癱瘓，有些輸電線上還出現了電火花，令電網損失了9450MW的功率，從而讓電網正常工作的其他部分進入了超負荷狀態。在希布加莫，兩台大型變壓器因此退出服務。丘吉爾瀑布發電廠和馬尼誇根-烏塔爾德發電廠因為超負荷保護而自動停止工作。在90秒內，魁北克地區的電網徹底崩潰，除了無法繼續為本區內19400MW的負荷供電外，魁北克電網輸送給新英格蘭地區電網的1325MW功率也無以為繼。
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據統計，這次太陽風暴給魁北克電網造成了一千萬美元的直接損失，而停電給用戶造成的間接損失則高達數億美元。在後來電力行業召開的業內會議上，北美地區的電網運營人員發現了一個更令人恐懼的事實：由於魁北克省的電網係統與美國東北部地區的電網是相連接的，魁北克電網的崩潰也給美國東北部地區的電網造成了壓力。
如果地磁暴的影響再強烈一些，包括紐約、波士頓、費城和首都華盛頓在內的美國東北部地區的電網也將崩潰。相比地廣人稀的加拿大，美國東北部地區的人口則相當稠密，造成的影響和損失也將更大。
燈光密集的美國東部（圖片來源：NASA）
1989年3月的太陽風暴第一次真切地影響到了普羅大眾的生活，人們開始認識到，空間天氣並非隻是學者們關心的自然現象，更是與人們的日常生活與社會正常運行息息相關的領域。
然而，超強太陽風暴的故事並未到此結束。在2003年萬聖節期間，超強太陽風暴的再次襲擊讓人們體驗到了惡劣的空間天氣對人類社會的全方位影響。欲知後事如何，且聽下回分解。
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