2022-01-01
1859年的卡林顿事件是有观测记录以来人类经历过的最剧烈的一次太阳风暴，然而历史上的太阳风暴可以比它强数十甚至数百倍。科学家发现，在过去一万年里地球至少受到了三次超级太阳风暴的冲击。这些超级太阳风暴可能来自万年一遇的“超级耀斑”。如果今天地球被这样的超级太阳风暴击中，全球联网的社会将会受到毁灭性的破坏，所有的电子数据可能都会被抹去。
在这篇节选自《环球科学》1月新刊的文章中，乔纳森·奥卡拉汉将带着我们回到过去，看看古代发生的超级太阳风暴对我们地球造成了什么样的影响，以及未来我们将因为这些特别活跃的太阳活动失去些什么。
每隔一段时间，太阳就会爆发耀斑，释放出大量的粒子和辐射，对地球造成严重破坏。150多年来，科学家一直在研究这些太阳风暴（太阳耀斑和其他太阳表面气体湍动现象）如何影响了我们地球。
他们对其中一次事件给予了特别的关注：1859年的卡林顿事件，这可能是规模最大的一次太阳风暴。太阳耀斑产生的抛射物猛击地球，将大量能量注入地球磁场，引发了一场大规模的地磁暴，并形成美丽的极光。同时，地磁暴也在电报线路上引发了电火花。令人意外的是，这场太阳风暴对当时电力基础设施所造成的影响并不大。
然而，当今的科学家意识到，卡林顿事件以及在1921年发生的强度相近的太阳风暴，是一种不祥的预兆，预示着未来可能也会发生类似的灾难。
2012年，科学家第一次意识到太阳风暴可能会造成更严重的危害。那一年，日本名古屋大学的三宅芙沙带领的团队发现，公元775年左右发生了超级太阳风暴，比卡林顿事件的要强10到100倍。
瑞士苏黎世联邦理工学院的尼古拉斯·布雷姆说：“这真的令人非常震惊，因为我们过去一直认为这种强度的太阳风暴是不可能发生的。”太阳耀斑和发光的等离子体层从太阳的一个激烈活动区域升起。当时科学家猜测，这次发现的古代超级太阳风暴可能来自万年一遇的“超级耀斑”，它比普通的太阳耀斑要强数千倍。如果今天地球被这样的超级太阳风暴直接击中，我们全球联网的社会将受到毁灭性的破坏。
科学家已经发现，这些太阳风暴发生的频率比我们想象的要高得多。最近，科学家在研究近代地质化学史时，发现了另外两次超级太阳风暴的证据。远古的遗迹在布雷姆负责的一篇论文中，科学家发现了两个可怕的强太阳风暴事件。一次发生在公元前7176年，那时游牧的狩猎采集社会正在被农耕的定居社会取代；另一次发生在公元前5259年，那时的地球正在走出末次冰期。他们认为这两次太阳风暴的强度至少与公元775年的太阳风暴相当。
过去十年间，科学家一直在寻找类似的极端太阳风暴事件，而布雷姆团队是第一个找到的。
现在，科学家把导致这类太阳风暴的超级耀斑称为“三宅事件”。为了寻找这类太阳风暴，研究人员需要对极地冰盖样本，以及保存在积水沼泽或山顶高处的古树样本进行化学分析。当太阳粒子撞击大气层时，大气层中的多种元素会变成具有放射性的不稳定形式，即变成了同位素，随后这些同位素会积聚在这些样本上。
例如，太阳活动所形成的碳14同位素，会被树木在生长过程中吸收。由于树干上的每一圈年轮对应着一个年份，科学家就能据此获知由太阳活动增加所引起的同位素峰值的准确时间——一圈年轮中的碳14越多，对应年份撞击地球大气层的太阳粒子就越多。
美国亚利桑那大学年轮研究实验室的夏洛特·皮尔逊说，树木的年轮“使我们能够重建放射性碳同位素含量与时间的关联，而且引起这些同位素含量波动的关键因素之一就是太阳的活动。
”科学家通过研究极地冰芯中铍10和氯36的浓度，也可以进行类似的测量，但精度略低。以上这两种方法结合在一起就可以精确描述历史事件。科学家现在掌握了大部分全新世时期树木的年轮数据，全新世是最年轻的地质年代，始于大约12000年前。然而，通过研究年轮数据来寻找碳14峰值非常耗时，仅仅调查一个年份，就需要花几周的时间来分析、交叉关联多个年轮样本。
论文的共同作者，英格兰历史遗产保护局的科学测年负责人亚历山德拉·贝利斯表示：“全新世有12000年的数据等待分析，而我们仅完成了其中的16%，这项工作极其耗费时间和金钱。”
布雷姆和他的团队很幸运。对于公元前7176年的太阳耀斑事件，他们先是发现了冰芯中铍10峰值的初步证据，接下来他们对年轮数据进行分析，发现了与之对应的碳14的峰值。
对于公元前5259年的太阳耀斑事件，贝利斯注意到了这一时期考古数据有一个空白。之后，在研究这个时期树木年轮中碳14的数据时，该小组发现了另一个峰值。布雷姆说：“这两个时间点上都出现了碳14含量激增，”而且其增长幅度类似于三宅芙沙确定公元775年太阳耀斑事件时所用的样本。
起初，科学家并不确定究竟是什么导致了这些放射性同位素含量激增，有些人认为不太可能是由太阳活动引起的。
然而在2013年，美国沃什本大学的布赖恩·托马斯领导的一项研究表明，太阳耀斑很可能就是幕后推手。托马斯说：“有人曾认为公元775年的峰值可能来自超新星爆发，或是伽马射线暴，但这些现象实在是太罕见了，不可能导致如此频繁的峰值。这些解释都不如太阳活动的解释合理。”这些太阳活动可能伴随着类似卡林顿事件的地磁暴，但强度更大。贝利斯指出：“在树木年轮和冰芯样本中都检测不到卡林顿事件的痕迹。
”这表明，与那些超级太阳耀斑事件相比，卡林顿事件甚至都有些微不足道了。
即便如此，太阳粒子峰值和伴随产生的地磁暴强度之间的确切关联仍不清楚。托马斯说：“一场强大的太阳风暴往往会伴随着地磁暴，但并非总是如此。”甚至可能像卡林顿事件那样，地磁暴根本不会引起碳14含量的激增。这可以解释为什么在该事件发生时的年轮和冰芯数据中，科学家并没有发现碳14含量峰值。
然而，有迹象表明，至少公元775年的太阳风暴伴随有强烈的极光，当时的中国也有相关记载。这就说明了大量太阳粒子涌入的同时还伴随有强烈的地磁暴。托马斯说：“我们可以合理假设，所有这些太阳耀斑事件都导致了强烈的地磁暴。”
如果这种关联是正确的，则说明仅在过去的一万年里，地球就受到了至少三次超级太阳耀斑的冲击。其他可能存在的超级耀斑事件，需要在剩下的84%的现有树木年轮数据中寻找证据，这些数据尚未被用于碳14峰值分析。皮尔逊说：“在过去的一万年中只有一个峰值，这似乎并不现实。但在此之前，科学家确实以为就发生过一次超级太阳耀斑。现在我们又发现了另外两次超级太阳耀斑的痕迹，我不确定这是令人惊讶还是令人担忧。”
最主要的担忧是，如果这样的超级太阳耀斑发生在今天，它可能会严重破坏近地轨道上的卫星和地面上的基础设施。1989年3月，一场比卡林顿事件弱得多的地磁暴就使得整个加拿大魁北克省的电网过载，导致了12小时的停电。今天，由三宅事件引起的地磁暴可能会造成更广泛的危害，包括灾难性的电网和卫星故障。
最近，美国加利福尼亚大学欧文分校的桑吉塔·阿卜杜·乔蒂计算发现，如果今天发生一场卡林顿事件级别的太阳风暴，它甚至会导致“互联网末日”。太阳风暴产生的高能粒子很可能会破坏国家之间的海底电缆，使全球互联网中断数周或数月。乔蒂估计，仅在美国，这样的灾难每天就会造成70亿美元的损失。更强的太阳风暴，如三宅事件，可能造成的损失几乎无法估量。
乔蒂还说：“我们可能比较容易从卡林顿事件级别的太阳风暴中恢复，因为存储数据没有被抹去。但对于比卡林顿事件强10甚至100倍的超级太阳风暴，它所造成破坏就无法估量了。我想没有人模拟过这种情况。我猜测这将导致重大的数据丢失。我们可能会失去所有的电子记录、银行信息以及重要的健康信息，而且无法恢复。”
就目前看来，全球文明因三宅事件而进入黑暗时代的可能性似乎很小，但是一些科学家预测，在未来十年，卡林顿级事件发生的概率可能高达12%。我们可以通过监测太阳活动来预测这种级别的太阳风暴，以便在超级太阳风暴和随之而来的地磁暴到来之前关闭卫星和电网。但是三宅事件可能更加难以防范。与此同时，科学家继续在古树年轮和冰芯中寻找更多极端太阳风暴的证据。
托马斯说：“我们意识到，太阳可能比我们想象的更有能量、更加活跃。研究其他恒星上的超级耀斑的同时，太阳能否爆发类似的超级耀斑也值得讨论。而从以上历史数据来看，太阳的确有这种能力。”