我们讲空间灾害事件的时候经常举一个例子:魁北克事件。1989年3月13日,一次太阳风暴引发了地球一系列的效应,最终极大地伤害了加拿大魁北克地区的电网,导致该地区出现大范围的断电事故,受直接影响的居民人数达到600万人,停电时长达到9个小时,造成了高达数千万美元的经济损失。这可以说是一次非常著名的太阳风暴引起的地球灾害。
不过,我们人类在地球修的电线、电网,既不上天也不是被雷劈了,怎么就被太阳风暴影响了呢?
我们的地球就像个大磁铁,有自己的磁场,地球磁场的北极在地理的南极附近,地球磁场的南极在地理的北极附近。如果把磁场的方向想象成一根根线(称为磁力线),地球上某个地方的磁场,有东西南北的方向,也有向上翘或者向下倾的方向,不是固定不变的,外形就像下边的示意图所展示的。这些磁力线有个共同的特征,就是大体上都是从南向北。
太阳“打喷嚏”的时候,也就是太阳爆发期间,它的大量物质喷发进入宇宙中,也就是“日冕物质抛射”。来自太阳的高速等离子体携带着太阳的磁场冲击地球磁层(地球磁场在宇宙空间中控制的区域),会使磁层压缩变形。太阳等离子通常携带着南北方向转动的磁场,当磁场转为南向时,和地磁场发生强的相互作用,会将巨大的能量带入到地球磁层(不过一般是大
量进入地球背面),带电粒子因为磁层的过程注入到被称为环电流的地球周围的电流当中,变化的电流会产生变化的磁场,从而引起全球范围剧烈的地磁扰动。人们用Dst指数衡量地磁场扰动的强烈程度。Dst指数平时往往是负几或者几十,也有正值,都不大;但是在强扰动下会变成-50以下,乃至负几百。
很多朋友可能都还记得中学曾经学过的,变化的磁场能产生电场、变化的电场又能产生电流。磁暴时,剧烈变化的地磁场会在地球大气的高空中产生电流,它们再感应出变化磁场,在地面、长距离高压输电线、变压器接地点组成的回路中产生电流,这便是地磁感应电流(GeomagneticallyInduced Current,简称GIC)。在大磁暴时,输电网络中产生的地磁感应电流可以有几十到几百安培。
相对于高压输电线路中上千安培的电流,几十到几百安培的地磁感应电流并不十分强。但是,它的变化频率一般为0.0001-0.1Hz,而交流电的频率一般是50或60Hz,故而地磁感应电流可以被视为近似的直流。
它可以在高压电网变压器的铁芯中产生直流偏置磁通,使变压器发生半波饱和,进而使变压器的励磁电流增大、谐波电流增加,最终引发电网的电压波动、继电器保护误动和静止无功补偿器跳闸;同时,变压器半波饱和时,变压器的铁心磁导率减小,本来应该在铁芯中变化成电能的磁能从铁芯中漏出,进入变压器的金属构件中,造成变压器器件功能的损耗和温度的增加,对变压器安全造成不利影响,例如变压器绕组导线过热可能会被烧毁。
因此,太阳风暴会引起地球磁场扰动,强的地磁场强扰动会在电网电线中引起强的地磁感应电流,这些电流能够伤害变压器,故而电网也会受到影响,这就是太阳风暴如何影响到我们的电网的过程。这种效应在地磁纬度较高的区域更加明显,由于同等纬度的北美地区比我们中国地球地磁纬度更高,所以太阳风暴更容易影响他们的电网。
我们开篇说到的魁北克停电事件,因为其影响范围大、时间长、经济损失大而出名(毕竟是最发达的北美地区),其实,其太阳风暴的强度尚不及“卡林顿事件”强度的三分之一,万幸的是“卡林顿事件”时还没有我们现代的电网。1859年9月1日,卡林顿(Carrington)在观测太阳黑子时,发现太阳北侧的一个大黑子群内突然出现了两道极其明亮的白光,在一大群黑子附近正在形成一对明亮的月牙形的东西。
随后,英国格林尼治天文台和基乌天文台都测量到了地磁场强度的剧烈变动。17个半小时以后,地磁仪的指针因超强的地磁强度而跳出了刻度范围。差不多同时,各地电报局电报机的操作员报告说他们的机器在闪火花,甚至电线也被熔化了。而且,在这天夜里,天空中五颜六色的北极光一直向南弥漫到古巴和夏威夷。后来,这次事件被称为“卡林顿事件”,是有观测以来最强的大规模磁暴事件。
可想而知,如果现代再发生“卡林顿事件”级别的灾害性空间事件,其影响也会更大,这也是若干年前“2012世界灾难”的灵感之一。