极光和魁北克大停电丨科学史

作者: 刘勇

来源: 中国科学院国家空间科学中心

发布日期: 2019-03-13 07:30:00

1989年3月13日,魁北克省发生大停电,影响人数高达600万,直接经济损失数以亿计。停电与同时出现的极光有关,原因是强烈的太阳风暴引发的磁暴,导致电网过载。魁北克电力公司最初未能找到停电原因,最终确认是地理位置导致的影响。此事件提醒人们对太阳活动的警惕。

1989年3月13日的凌晨,美国纽约州的山姆被电话铃声吵醒了。朋友打电话让他看窗外。揉揉惺忪的睡眼,山姆打开窗户望向北边的天空,他被眼前的景象惊呆了。蓝黑色的夜空中,梦幻一般的粉红色条带,仿佛一条巨大的纱幔在飞舞。山姆连忙叫醒家人,和他们一起欣赏这难得一见的美景。

就在纽约州以北几百公里的魁北克省,同时发生着一场静悄悄的大停电。停电的时候没有风暴,也没有暴风雪,是一次没有任何预警的停电事故。停电发生在凌晨2点45分,记录显示,当时的室外温度是摄氏零下16到零下20度。在停电后,暖气也停止了供应,室内气温急剧下降。当山姆被朋友的电话叫醒的同时,不知道有多少魁北克人被冻醒,然后意外地发现停电了。

这次停电延续了9个小时。第二天早上,蒙特利尔市的地下隧道因为停电关闭,行人不得不顶着寒风在地面上行走。开车族面对黑漆漆的交通灯不知所措,交通一片混乱。当上班族好不容易来到上班地点,却发现公司大楼一团漆黑,电梯停运。人们聚集在大楼门口,等待着电力恢复。

停电使得地铁停运,学校停课,魁北克的多瓦尔机场也被迫关闭,一些航班被取消。这是一次没有预先通知的大面积停电,魁北克省的大部分地区都遭遇了这次停电,加上北美其他部分地区,受影响的人数高达600万,直接经济损失数以亿计。

在这次停电事故中,最尴尬的是魁北克电力。面对这次突如其来的大停电,他们一开始找不出问题的根本原因,把责任推到一段老旧的线路上,却完全忘记了就在停电之前不到一年,公司曾许诺投资20亿美金来改善线路,减少停电发生。说好的改善线路呢?说好的减少停电呢?有的市民甚至提请政府调查魁北克电力是不是有玩忽职守的行为。

当时很少有人把这次停电事故和同时发生的极光联系起来。极光通常只能在高纬度地区,比如北边的瑞典、加拿大或者俄罗斯才能看到。这次极光的范围非常之广,在美国南部的佛罗里达州都能看到。极光非常奇特,又正处在冷战末期。有人甚至以为是当时的苏联发射了核武器,还有人错误地把这次极光和当天发射的“发现号”航天飞机联系起来。

引发极光和魁北克停电事故的原因就是磁暴。地球本身就是一个巨大的磁铁,它的磁场保护着地球上的生命不会遭受宇宙射线的辐射,也保护着地球上的大气不会逃走。磁暴是地磁场的大幅度扰动。1989年3月13日发生的磁暴非常强烈,Dst指数达到了-500nT以上。(科学家利用Dst指数描述磁暴的强度,Dst指数达到-100nT就是强磁暴,达到-300nT以上就是超强磁暴。)

引发磁暴的根本原因是来自太阳的太阳风暴。就在3月9日,太阳上发生了一次暴发,瞬间发出的能量相当于成千上万颗原子弹爆炸,喷发出的等离子体流高速撞向地球。这次太阳爆发虽然强烈,但还不足以导致-500nT的超强磁暴。

第二天(3月10日)又有一个更强烈的太阳爆发,比之前那次更猛,速度也更快,爆发出的等离子体云追上了之前的等离子体云,组成了一个新的更加有力的等离子体云团组合结构,当这个结构在3月13日撞上地球时,强烈地挤压了地球的磁场,引发了一个超强的大磁暴。

地磁场的扰动为什么会引发停电?我们都知道,拿一个磁铁在导线圈附近晃动,导线圈就会产生电流。发电机就是利用这个原理发电的,不过在发电机中,转动的是导线圈而不是磁铁。地磁场扰动,相当于地球这个大磁铁在晃动,结果在输电线路上产生了感生电流。由于这次磁暴特别强烈,因此产生的电流也特别强,导致输电线路严重过载,引发了这次的停电事故。

极光可以说是太阳风暴引发磁暴的一个副产品。伴随着太阳风暴,来自太阳的高能粒子也会到达地球,磁暴也会在地球附近的空间产生一些高能粒子,当这些粒子沿着极区地磁场的开口进入地球大气层时,会激发大气中的原子、分子发出各种颜色的光,这就是我们在地面上看到的极光。

现在问题来了,为什么地球上其他地区不停电?

事实上,这次磁暴在北美引发了大面积的电网扰动(美国有一台高压变压器直接被烧毁了),但是没有引起大面积的停电事故。具体说来,磁暴对于地面上不同区域的影响是一个复杂的科学问题,一个最简单的规律就是,离地磁南、北极越近的地方,磁暴影响越大。魁北克停电事故发生时的地磁北极位于加拿大北部,因此,距离加拿大北部更近的魁北克也比美国大部分地区离磁极近多了,所以受到的影响更大。

得知引发停电事故真正原因的魁北克电力终于松了一口气,随后他们宣布,这次停电不是我们的错,是因为我们所处的地理位置。

我国所处的地理位置离地磁场的北极比较远,而且最近太阳处于活动低年,太阳活动少,就连强磁暴都很少发生,更不用说超强磁暴了,但并不能因此放松警惕。已经有研究表明,2012和2017年都有类似1989年的超级太阳风暴发生,只不过没有对准地球,所以没有在地球上引发磁暴。另一方面,地磁北极在不断的变换位置,现在正从加拿大北部朝俄罗斯方向移动。我国也不能掉以轻心。

欧洲空间局和中国合作研制的SMILE卫星计划,研究地球空间环境对太阳风暴的响应,揭示磁暴发生的规律。

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