最近我们又踏入了一个西方节日——万圣节（All Hallows’ Day）。万圣节又叫诸圣节（All Saints' Day），在每年的11月1日，而10月31日夜晚——万圣节前夜是这个节日最热闹的部分，常被我们误以为这天叫万圣节。不过，对于大部分中国人来说，这并不能算一个节日，也没有什么活动（因为并没有放假嘛～）。
当然一些娱乐场所和餐馆准备了一些主题活动，像是北京欢乐谷、海洋馆等等，喜欢新鲜事物的朋友和孩子们可以前往体验异国节日气氛和文化。万圣节像我们古代的中元节一样，可称为西方的“鬼节”。在万圣节前夜，小孩子会装扮成各种鬼怪挨家挨户敲门，喊着唱着“trick or treat”（“给我糖果，不给就捣乱”），大人们也很配合地送上糖果（嗯，理想状态。所以不给糖果真的捣乱也毫不奇怪）。
在中国基本不可能有这种活动，公园和餐馆等主要是展出鬼怪类的节日主题，甚至进行化妆聚会。
不过，今天这里要谈论的，不是万圣节的文化和活动，而是一次在航空航天和空间科学历史上颇为著名的灾难性事件，它发生在13年前的万圣节前后（并非正好那一天），命名为万圣节太阳风暴（Halloween solar storms，2003）。
这次事件使人们认识到，随着科技的进步，太阳活动和空间天气对人类活动的影响越来越大，如果不加以重视和防范，未来可能产生非常巨大的损失。电影《2012》所描述的天地剧变、世界末日，其实其灵感很大一部分就来源于科学家对太阳活动影响的担忧。
一份美国国家科学院的报告曾指出，以最坏的情况来假定，假如本太阳周的太阳活动高年（当时指的就是2012年前后）出现类似1859年记录的长时间并且强力的太阳风暴，会对人类活动产生很大的影响（不过，科学报告的灾害预警，和电影杜撰的世界末日，还是要区分开的）。
和地球上大多数的空间天气事件一样，这次事件起源于太阳。2003年10月26日到11月4日太阳上爆发了一系列强烈耀斑。
除了耀斑，还有很强的日冕物质抛射（CME）现象发生，而恰巧这个日冕物质抛射事件是冲着我们地球的方向来的。什么是耀斑？它通常指的是发生在太阳色球层的局部区域的一种最剧烈的爆发现象。我们平时肉眼看到的白色太阳光来自太阳大气最低的一层，称为光球层，我们常说的太阳黑子，就是光球层上局部的黑色区域，因为温度比周围低，显示为黑色，其实黑子被认为是磁场非常强和复杂的区域，显示着太阳活动强烈的位置。
在光球层上方的一层大气温度更高（温度几千度到几万度），辐射中最突出的是氢离子的Hα射线（波长656纳米，谱线颜色为橙红色），在Hα射线成像的图中显示为红色球，所以这一层叫做色球层。不过最早是日全食观测者发现的，于1869年由洛基尔和弗兰克兰首先命名。在日全食的时候，太阳圆面被挡住，边缘体现出红色的辉光，这就是色球层。
1859年9月1日的上午，英国天文爱好者卡林顿在对太阳黑子进行常规观测时，赫然发现日面北侧一个大的复杂黑子群附近突然出现了两道极其明亮的白光，其亮度迅速增加，远远超过光球背景，明亮的白光仅维持了几分钟就很快消失了。同在这一天，英国天文学家霍奇森也看到了这次太阳上的突发现象。这是耀斑的第一次记录，同时也是白光耀斑的第一次记录。
虽然耀斑是很强烈的能量放射活动，但来自太阳光球层的背景光辐射太强了，基本不能用肉眼看到耀斑。对太阳光一定光谱进行单色成像可以避免这一问题，太阳耀斑的早先定义就是指Hα单色光看到的太阳色球谱斑中的突然增亮现象，所以也称为色球爆发。
通常，太阳色球层大块的增量的区域叫谱斑，属于活动区，谱斑中有时会出现局部小区域的突然增亮，在几分钟内由原有的谱斑亮度迅速增亮几倍甚至几十倍，然后在几十分钟至1-2小时内缓慢恢复至原有的谱斑亮度。
随着观测技术的不断发展，我们对耀斑的了解也越来越多。耀斑发生在太阳大气的局部区域，在短时间内释放大量能量，引起局部区域瞬时加热，向外发射各种电磁辐射和能量很高的粒子。
从波长短于1埃的γ射线和X射线，直到波长达几公里的射电波段，几乎全波段的电磁辐射都有增强的现象，而发射的各种粒子流的能量可以从10^3电子伏特直到10^9电子伏特（粒子能量单位，大气分子一般能量是10^-2电子伏特，而核爆炸中粒子能量约10^5-10^6电子伏特，可以说耀斑发射的粒子能量在日地空间区域中是非常强的）。根据观测手段的不同，耀斑经常被分为光学耀斑、X射线耀斑、质子耀斑、白光耀斑等。
1859年卡林顿和霍奇森等看到的就是白光耀斑，它在白光范围内也有突然增亮。这些耀斑强度的分级也不同。光学耀斑分级根据Hα单色光面积大小分为5级，分别以S、1、2、3、4表示，在级别后加F、N、B分别表示该光学耀斑在Hα线中极大亮度是弱的、普通的、还是强的，所以最大最亮的耀斑是4B，最小最暗的是SF。
而X射线耀斑分级是根据X射线辐射强度，按照美国GOES卫星观测的软X射线峰值流量的量级将耀斑分成5级，分别为A、B、C、M和X，所释放能量依次增大，等级后面的数值表示X射线峰值流量的具体数值，如M2级表示耀斑软X射线峰值流量为2×10^-2瓦/平方米。出现很强的耀斑，并不只是耀斑本身发射的辐射和粒子有很强影响，也往往预示着有很强的太阳活动。
什么是日冕物质抛射（CME）？
日冕在太阳光球层和色球层之上，是太阳大气的最外层，厚度有几百万公里以上，温度有上百万度，粒子数密度为10^15m^-3，充满了高温电离的质子、氦原子核和自由电子等。日冕的形状与太阳活动有关，在太阳活动极大年接近圆形，而在太阳宁静年则比较扁，赤道区较为延伸。日冕直径大致等于太阳视圆面直径的1.5～3倍以上。日冕物质抛射（CME）是从太阳的日冕层抛射出来的物质，通常可以使用日冕仪在白光下观察到。
日冕仪利用的是日食的原理，设置投影直径等于太阳光球像那样大小的挡盘（水冷却），将来自光球部分的太阳光反射出镜筒，而对外围的光线用透镜聚焦在照相底片上得出日冕的像。抛射出来的物质主要是电子和质子组成的等离子体（此外还有少量的重元素，例如氦、氧和铁），加上伴随着的日冕磁场（有关于等离子体的物理原理，解释了磁场会跟随等离子体运动）。其实日冕不断的有物质向宇宙中扩散，被称为太阳风。
然而，日冕物质抛射是太阳系内规模最大、程度最剧烈的能量释放过程，会把比地球体积还大、和大山一样重的大量高能粒子喷发到宇宙空间中，并且其中携带着太阳磁场。依据SOHO卫星的LASCO仪器在1996年至2003年的测量结果，日冕物质抛射的速度范围约为20-2700 km/s，平均速度是489 km/s。
以日冕仪影像为基础的数据估算日冕物质抛射的平均质量为1.6×10^15克（百米高的小山包，质量约为10^13克，但CME本身是非常非常稀疏的等离子体）。这样的物质在几分钟至几小时内以很高的速度喷发到宇宙空间中，打乱了太阳风的流动，除了本身的物质，还会产生巨大的激波，一旦向着地球而来，往往会产生很多影响。
2003年万圣节耀斑事件的强度有多强？
刚才说到，X级是X射线耀斑最强的等级，通常在一个11年周期的太阳活动周中，X级耀斑大概出现200次左右，X10级及以上级别耀斑大概出现10次左右。而根据美国宇航局（NASA）与美国国家海洋和大气局（NOAA）空间环境中心的记录，2003年10月26日到11月4日出现的连续的太阳耀斑爆发当中，出现的X28级耀斑是GOES卫星观测以来的最大耀斑，峰值甚至可以冲到X45级。
在之后的两周内，还发生了9次高强度级别的耀斑事件。整个事件开始于10月26日。SOHO卫星观测到被标记为10486号太阳活动区的黑子区域增大到了地球的10倍以上，已经可以在地球上用肉眼看到。两天后的10月28日，随着太阳和地球的相对运动，这个区域几乎正对着地球，如图太阳光球层成像中左下角的区域。而就在10月28日，从色球层成像来看，该区域爆发了很强的X17级耀斑，其能量相当于500亿颗原子弹爆炸。
在下图太阳色球层成像中，可以看到非常明亮的巨大耀斑。这张绿色的图像是对太阳极紫外辐射的成像，变亮说明这个波段的辐射大大增强。此时，对应太阳活动区所释放的日冕物质抛射CME向着地球而来！经过SOHO卫星（日地连线上，距离地球150万公里）的CME速度高达2300公里每秒。如下图所示，太阳爆发了巨大的CME，中心的白色圆示意的是太阳的大小，而CME的体积可以与太阳相比，更是远远大于地球。
由于粒子能量和数量非常大，超过了SOHO卫星的成像CCD相机的探测能力，在相机上引起了白色的斑点和线条，随后这些斑点远比右下图的样子还要强烈，使得视野内完全是一片雪花。如此庞大而高速的粒子云，对于SOHO卫星来说实在是太强烈了，它被迫进入了安全模式。10月29日，一次X10级耀斑更加正对地球的方向。
这一天，太阳质子事件的峰值流量达到最大，是GOES卫星自1976年观测以来的第4大的极值，而这一天地球磁场的地磁活动Ap指数达到204，也是非常大的一个值。11月4日，整个事件当中、乃至历史上最大的X28级耀斑就发生在这一天，好在它位于太阳的边缘。
一连数天，由于连续的太阳耀斑和CME，爆发的高能辐射和高能粒子向地球倾泻而来，可以想见，地球环境注定无法平静。
来自太阳的高能辐射和高能粒子不仅会直接对地球磁层等地球周围的环境产生影响，从地球极区附近大幅沉降，还会有多种效应，比如压缩地球磁层顶部和辐射带等区域，改变航天器飞行的环境，从磁尾传输粒子和能量到地球空间，引起地球磁场强烈扰动，等等。
限于篇幅，这里没法做很详细的说明，只是讲述一些严重的后果：欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到不同程度损害，多颗卫星一段时间内进入安全模式；76颗通讯卫星有46颗报告了异常；日本“回声”卫星失控；Kodama卫星进入安全模式直到11月7日才恢复正常工作；Chandra卫星以及SIRTF卫星观测中断；Polar卫星TIDE仪器自动重启，高压电源被损坏，24小时后才恢复正常；NASA的火星探测卫星Odyssey飞船上的MARIE观测设备被粒子辐射彻底毁坏，这是首次发现地球以外空间设施因为空间灾害天气而报废。
国际空间站被迫关闭了机械臂和飞船工作站，工作人员临时中止一切任务，并多次进入防护舱中躲避。极光是太阳粒子沉降在地球大气中发出的光，由于地球磁场保护着我们，通常在地球的南北极才能出现大规模的粒子沉降，引起极光，所以才叫“极光”。即使是我国北端的漠河，极光也极少出现。然而，由于这次万圣节风暴，在美国的德克萨斯州和佛罗里达州（约北纬25-30度区域）都可以看到极光。
下图是10月29日美国德克萨斯州休斯敦附近空中出现的极光。全球范围的通讯收到了干扰，例如海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断。GPS定位精度大幅下降。美国国防部承认，因为通讯困难，他们取消了一次海事任务。越过极区附近的飞机航线大量中断和延误。
为了避免飞机乘客和机组人员受到辐射的伤害，其他飞机被指示在更低的高度飞行（美国的要求是3万5千英尺下降到2万5千英尺，也就是从1万米下降到约7600米），来受到更厚的大气层的保护，但相对的要额外消耗总计上百万美元的飞机燃料。航空的地理和地磁探测任务都被取消，因为仪器根本无法进行探测。阿拉斯加的石油和天然气开采也被迫中断。由于高空电磁场扰动对地面输电线路的影响，瑞典5万人的电力供应中断。
为了避免类似的危机，美国新泽西的两处核电站被迫降低了功率。可以说，太阳风暴引起的灾害性空间天气事件是对全球通讯、定位、电力等系统的严重考验，由于我们的生活越来越依赖于电力和卫星，其影响也会越来越大，人类需要对齐有足够的重视。