太阳风暴对地球的影响

作者: 张宇宗、周桂萍

来源: 中国国家天文

发布日期: 2022-04-26 18:06:14

太阳风暴是太阳爆发活动在日地空间产生的响应现象,主要通过电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云影响地球。这些影响包括卫星损失、电离层扰动、航天器受损、电网故障等。尽管地球的磁层和大气层提供了保护,但太阳风暴的威胁仍然存在,需要科学预测和防范。

2022年2月,“星链”发射遭遇地球磁暴,损失40多颗卫星。2022年2月3日,美国埃隆·马斯克的太空探索公司通过猎鹰9号从佛罗里达州肯尼迪航天中心向低地球轨道发射了49颗“星链”卫星。然而,由于受到太阳风暴的影响,地球磁层发生了磁暴,大气密度增加,随之大气阻力剧增50%,导致这些“星链”卫星未能提升至更安全的轨道,有多达40颗卫星掉入大气层坠毁。

这是迄今为止单一地磁事件造成卫星集体损失数量最多的一次。

所谓太阳风暴,是指太阳爆发活动在日地空间产生的响应现象。太阳爆发活动是太阳大气中由于电磁相互作用发生的持续时间短、规模大的能量释放现象,如太阳耀斑、日冕物质抛射等。随着太阳爆发活动喷射而来的磁化等离子体云,携带了大量的能量以及磁场,会扰动地球磁层、电离层、中高层大气所在的日地空间环境,从而形成太阳风暴。

太阳耀斑和日冕物质抛射过程中释放的物质和能量主要有三种形式:电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云。由于传播速度的差异,它们到达地球空间的时间并不同步。首先,电磁辐射以光速(每秒30万千米)到达地球空间,时间仅约需8分钟;其次,高能带电粒子流约需十几到几十分钟;而后,等离子体云则需要大约1到4天的时间才能到达地球。

太阳风暴发生后,首当其冲的是电磁辐射。在耀斑期间,所有波段的电磁辐射都会突然增强,特别是极紫外和X射线波段,其辐射呈现成百上千倍的增加。从而使得地球高层大气中的核外电子获得足够多的能量而逃脱原子核的束缚,形成自由电子,也就是增加了电离层的电离度,引起了电离层在短时间内剧烈的扰动。

高能带电粒子到达地球附近,导致极区电离层电子密度增加。由于能量极高,会直接轰击航天器,穿透卫星外壳,引起卫星平台和携带的有效载荷的微电子器件逻辑错误,造成程序混乱,严重时可能造成器件内部短路、击穿;也可能引起材料性能衰退,成像系统噪声增加,太阳能电池效率降低。同时,高能带电粒子还可能对宇航员造成辐射伤害。

最后,太阳爆发活动在对地球的第三轮攻击过程中携带的磁化等离子体云到达地球附近后,会和地球磁场发生相互作用,从而将能量注入到磁层、电离层和地球高层大气。地球磁场的剧烈变化在地球表面诱生地磁感应电流,这种附加电流会使电网中的变压器受损或者烧毁,造成停电事故。

幸运的是,地球上的人类由于受到地球磁层和稠密大气层的双重保护,这三轮攻击基本上被化解,这也是为什么不借助仪器设备,我们很难直观感受到太阳风暴的来临。现代科学技术的发展,让人类及其技术设备一方面可以离开地球,触摸星空,探索宇宙的奥妙;另一方面太阳风暴带来的威胁也日益严重。了解太阳风暴发生的特点和规律,并对其作出预测,是人类平安进出地球,走向外太空的第一重保障。

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