天文
超级太阳风暴可能对地球造成怎样的影响
太阳活动有时会引发强烈的地磁风暴，可能破坏我们的电网和通信系统。下一场大风暴到来时，我们是否做好了准备？
肯·特格内尔的第一个家位于恶魔岛。当时，也就是五十年代，除了联邦监狱之外，岛上还有幼儿园、邮局和监狱员工及其家属的住所。这其中就包括特格内尔和他母亲和祖父(一名狱警)，当时他的父亲驻扎在韩国。整个恶魔岛不到十分之一平方英里，尽管采取了所有的安全措施和“禁止入内”的标志，囚犯和平民之间的距离总是很近。然而，即使考虑到与白伊·布尔格等人的接近，那里仍然是一个平和的居住地。风景壮观，几乎没有非囚禁居民锁门，几乎所有人都互相认识，并因一种独特的身份而共享着友谊。“我们是一个奇怪的群体，”特格内尔开玩笑说，“这就是我性格古怪的原因。”
当特格内尔的父亲从韩国回来后，他们全家搬走了，此后又搬了多次。但最终，特格内尔回到了湾区，这次是为了就读伯克利大学，该校在 1960 年代后期也是另一个奇怪的人群聚集地。在伯克利大学上天文课时，他参加了当时尚未成名的科学家卡尔·萨根的演讲。对发生在天空中的一切感兴趣，对周围的嬉皮文化无动于衷，特格内尔于 1974 年加入了空军。军队教他使用望远镜和射电阵列，然后将他送到位于澳大利亚西北角的利尔蒙特太阳天文台收集有关太阳的数据。他在那里服役了两次，距离任何可以被称为城市的地方十二个小时车程——正如特格内尔回忆的那样，这是一个被遗忘的地方，但风景优美，拥有美丽的海滩、一流的钓鱼场所，全年几乎没有降雨。无论工作还是娱乐，他都在那里度过时光，观察着太阳。
特格内尔仍然靠此谋生，尽管他在 1996 年退役了。如今，他的工作既晦涩难懂，以至于大多数人从未听说过，又如此重要，以至于几乎所有经济部门都依赖它。他的正式头衔，只有几十个美国人共享，是太空天气预报员。自从离开空军后，特格内尔就一直为位于科罗拉多州博尔德的美国国家海洋和大气管理局太空天气预报中心工作：每天 10 小时，每周 40 小时，三十年时间都盯着太阳的实时图像。那里还有 11 位预报员。其余的则受雇于该国唯一的类似机构：由国防部在内布拉斯加州萨皮县奥弗特空军基地运营的太空天气运行中心。
常规的、以地球为基础的天气是我们生活中如此重要的一部分，我们几乎总是意识到它，并且经常痴迷于它；它是从闲聊到热烈政治辩论的一切话题。相比之下，大多数人不知道外太空也有天气，更不用说其变化对我们星球意味着什么。这是因为，与日常天气不同，您无法直接体验太空天气。它不会让你感到冷或热，不会淹没你的地下室或掀掉你的屋顶。事实上，直到 19 世纪，它几乎没有对人类活动产生任何明显影响。然后出现了一系列科学革命，使电力和电信等技术成为我们生活中不可或缺的一部分。直到后来，我们才意识到这些技术容易受到太空天气影响。其潜在后果与我们对技术的依赖一样广泛。2019 年，联邦紧急事务管理局在调查可能的灾难时得出结论，只有两种自然灾害能够同时影响整个国家。一种是流行病。另一种是严重的太阳风暴。
这就是为什么特格内尔的职务如此重要。但 “太空天气预报员” 只是一个过于乐观的误称；在大多数情况下，他和他的同事无法预测外太空会发生什么。他们所能做的就是尽力弄清楚那里正在发生什么，最好是速度快到足以限制其对地球的影响。这甚至很困难，因为太空天气既是一门极具挑战性的领域——它本质上是应用天体物理学——又是一个相对较新的领域。因此，它充满了许多挥之不去的科学问题和一个迫在眉睫的实际问题：当下一个巨大的太空风暴袭来时，地球上会发生什么？
第一次给我们带来麻烦的此类风暴发生在 1859 年。8 月下旬，通常只有在极地纬度才能看到的北极光，出现了一系列异常现象：在哈瓦那、巴拿马、罗马、纽约市出现。然后，在 9 月初，北极光再次出现，如此耀眼，以至于落基山脉的金矿工们在晚上醒来开始做早餐，迷失方向的鸟类迎接了不存在的早晨。
这种美丽而令人困惑的现象有一个令人不快的推论：全球的电报系统变得混乱不堪。许多完全停止工作，而另一些则发送和接收“奇妙而无法读懂的信息”，正如费城晚报所描述的那样。在一些电报站，操作员发现他们可以断开电池并通过环境电流发送消息，就好像地球本身已成为一个即时消息系统。
由于一个幸运的巧合，所有这些异常现象很快与它们可能的原因联系在一起。9 月 1 日左右中午，英国天文学家理查德·卡林顿在户外绘制一组太阳黑子时，看到太阳表面出现了一道光：这是第一次观测到的太阳耀斑。当关于低纬度北极光的报道开始出现，同时有报道称测量地球磁场波动的磁力计激增到超出记录能力时，科学家们开始怀疑地球上发生的奇怪现象与卡林顿在太阳上看到的奇怪现象有关。
人们对现在被称为卡林顿事件的惊奇很快就消退了，就像北极光一样快——但六十年后，它又发生了。1921 年 5 月，耀眼的光芒照亮了夜空，地点远至德克萨斯州和萨摩亚等远离北极的地方；这一次，奇观之后是灾难。从电报交换机跳跃的“电液”点燃了纽约州布鲁斯特的一个火车站，而铁路信号和换向系统上的杂散电压使曼哈顿的火车停运，并在更北边的奥尔巴尼联合车站引发了一场火灾。
多年来，这种模式一直重复出现，间隔不一：明亮的夜空，然后是令人不安的后果，这些后果随着技术的演变而变化。电传打字机停止工作；或者跨大西洋电缆停止工作；或者全球无线电电路陷入沉默；或者用于发送和接收电报新闻的数十万英里的传输线同时中断。1967 年 5 月，美国空军当时维护的所有三个弹道导弹预警系统的雷达站似乎都被干扰了；担心苏联即将袭击，军方官员差点派遣了配备核武器的飞机。五年后，越南战争期间，美国开始在北越海港外布设带有磁性传感器的水雷，当钢壳船只从上方经过时触发爆炸。该计划开始三个月后，其中许多地雷——据当时的一位消息来源称有四千枚——几乎同时爆炸。调查确定，该计划不是被河内破坏的，而是被一种新发现的太阳现象——日冕物质抛射所破坏。
随着时间的推移，在每一次新的技术难题的帮助下，天体物理学家开始对太空天气有了更好的了解。但是，科学需要很长时间才能进入公众意识，更不用说公共政策，所以太空天气仍然是一个几乎被边缘化的主题，直到 2008 年，美国国家科学院召集了一组专家评估该国承受其陆地影响的能力。同年晚些时候，美国国家科学院发布了一份关于调查结果的报告，“严重的空间天气事件：了解社会和经济影响”。
标题很枯燥，内容也不枯燥。报告指出，地球在航天时代或更广泛的电气化时代没有经历过卡林顿级风暴，而且该国的大部分关键基础设施似乎无法承受一场这样的风暴。对卫星的广泛破坏将危及从通信到国家安全的方方面面，而对电网的广泛破坏将危及一切：医疗保健、交通、农业、应急响应、水和环境卫生、金融业、政府的连续性。报告估计，从卡林顿级风暴中恢复过来可能需要长达十年，并花费数万亿美元。
这份报告引起了轰动，也传到了当时的美国总统巴拉克·奥巴马手中——他当时已经任命了一位新的联邦紧急事务管理局局长，名叫克雷格·富加特。当时，即使在应急响应社区，也很少有人了解太空天气。但是，碰巧的是，富加特在职业生涯的早期曾与美国宇航局合作，并对该机构对太空天气风险的担忧印象深刻。因此，当他收到国家科学院的报告时，他立即采取了行动。他召集了一个由政府、学术界和私营部门专家组成的特别工作组，其任务是制定一项保护国家免受恶劣空间天气影响的计划。
这项工作最终导致了国家空间天气行动计划的制定，该计划于 2015 年发布。该计划概述了 100 多项行动，旨在提高美国对太空天气的准备和抵御能力。其中一些行动已经实施，例如建立新的预警系统和制定更严格的基础设施标准。然而，许多其他行动仍处于规划阶段，需要大量资金才能实施。
尽管取得了进展，但仍有许多工作要做。科学家们仍然无法预测卡林顿级风暴何时会发生，也无法阻止它发生。他们所能做的就是尽力减轻其影响。
正如其名称所暗示的那样，太阳辐射风暴可以伤害人类，但前提是他们风暴发生时恰好身处天空。 对于乘坐飞机穿越极地航线的乘客来说(在那里，沿着磁场线运行的高能粒子往往会集中)，这种风险很小; 然而，这些航班会在起飞前从 swpc 获取太空天气报告，如果预计发生重大风暴，它们通常会改变航线。 然而，对于宇航员来说，严重的辐射风暴更令人担忧。 国际空间站上的宇航员可以受益于地球磁场虽减弱但仍存在的保护，但在极端辐射事件期间，他们可以躲到空间站屏蔽更强的部分。 但对于那些超出大气层的人来说，这样的风暴可能是致命的，要么立即致命，要么辐射病会使他们无法执行维持生命的关键功能。 目前正在考虑的一些太空探索项目面临的一个障碍是，月球和火星都没有磁场来偏转太阳辐射; 因此，如果没有适当的庇护所，两者在太阳风暴中都极其危险。 只有事后才知道，美国宇航局是多么幸运，在阿波罗任务期间没有发生过这样的风暴。
然而，目前外太空的人数 - 不到十几个 - 与外太空的卫星数量相比微不足道：超过八千颗。 和我们一样，这些卫星也受到太阳辐射风暴的威胁。 一方面，太阳能粒子可以直接进入卫星，通过随机将 1 变成 0 或 0 变成 1 来物理损坏硬件并劫持软件。 另一方面，当这些粒子轰击卫星时，它的不同部分会积累不同的电荷水平，电力可以在一个区域和另一个区域之间跳跃，试图自己中和，并在此过程中损坏或禁用板载电子设备。
最后，增强的太阳辐射会增加地球大气某些区域的密度，从而增加阻力。 这在低地球轨道(距地球表面约 1200 英里)尤其成问题，那里有超过 80% 的卫星。 随着阻力的增加，这些卫星可能会偏离轨道，让其所有者和北美防空司令部 (NORAD) 都手忙脚乱地找到它们，以保持功能、防止碰撞并避免关于它们身份的混淆： 未识别入侵者还是新地方的老朋友？ 遇到这种情况的卫星最好要使用更多的燃料来维持轨道，从而缩短其寿命; 这就是为什么 1979 年天顶实验室坠落地球比预期更早的原因。 最糟糕的是，它们完全失去轨道，在重新进入大气层时烧毁。 2022 年 2 月，由埃隆·马斯克 (Elon Musk) 联合创立的太空探索公司 SpaceX 发射了 49 颗新卫星，作为其 Starlink 系统的一部分，该系统旨在为地球上任何地方的付费客户提供空中互联网接入。 该公司知道风暴刚刚在发射日期之前开始，但它是一个温和的暴风 - G2，这是美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 地磁风暴等级的第二低类别 - 内部模型表明卫星将没事。 发射后一天，其中 38 颗卫星失去轨道并遭受灾难性故障。
SpaceX 仍计划未来几年发射数万颗卫星，其他实体也在扩展其舰队，部署太空基技术，用于从野生动物追踪到情报收集等一切领域。 但目前所有天空中最关键的卫星都不是我们全球定位系统 (GPS) 的组成部分，或者使用更普遍的术语，全球导航卫星系统 (GNSS)。
GPS 卫星不会受到阻力的影响，因为它们不在低地球轨道; 在它们挂着的地方，没有足够的剩余大气层会影响它们。 但是，要到达地面接收器，来自这些卫星的信号必须穿过大约 12,000 英里的太空。 在太阳风暴期间，当我们的电离层受到干扰时，这些信号会扭曲，就像光穿过水时弯曲一样，导致位置误差几十米，在极少数情况下，甚至数百米。 这些误差通常会在风暴消退时自行纠正，如果您只使用 GPS 提醒自己哪个出口可以前往机场，它们并不重要。 但越来越多的流程需要持续访问超精确位置数据，包括军事行动、航空、农作物管理、桥梁建设以及石油和天然气勘探，尤其是在深海平台，在水下钻井作业期间必须保持精确的位置，无论波浪和漂移如何。
然而，全球定位系统提供的最重要的服务不是关于空间，而是关于时间：每个 GPS 卫星都携带多个原子钟，通常精确到十亿分之一秒，它们会传输称为 GPS 授时信号的超精确时间信息。 这些信号是我们最重要的无形基础设施之一。 蜂窝电话公司使用它们来管理其网络上的数据流。 媒体公司使用它们来广播节目，将大型数据流分割成更小的数据包进行传输，然后根据时间戳在到达时重新组合它们。 电力公司使用它们来帮助调节电力从源到目的地的流动，防止浪涌和停电。 计算机应用程序使用它们来协调两个或多个用户在不同位置处理相同项目的任何情况。 金融行业使用它们来跟踪移动银行交易并对每笔交易进行时间戳 - 一个世界每秒处理数十万条金融消息的关键交通控制系统。
与 GPS 位置精度一样，GPS 授时精度在太阳风暴期间可能会受到影响。 风暴越长越严重，这些误差就会越累积，直到依赖这些信号的系统无法正常工作或完全无法工作。 有备用程序可用; 例如，美国联邦航空管理局在 GPS 故障时有备用能力来确保飞机安全飞行。 总体而言，尽管如此，纳入此类替代方案仍然有限，原因很简单：GPS 是一项美国联邦政府免费提供的服务。 正如美国国土安全部在 2020 年的一份报告中所指出的那样，“如果没有监管要求或积极的成本效益方程式，采用非 GNSS 服务的可能性很小。”
与此同时，我们主要的导航和时间信息来源仍然容易受到太阳天气变化的影响。 同样受到影响的是越来越多的其他卫星，这些卫星由一个年轻、蓬勃发展且基本上不受监管的行业提供。 这让通常泰然自若的比尔·默塔格 (Bill Murtagh) 担心。 “现在太空是一片荒芜之地，”他说。 他对卫星公司的评价很直白：“我认为他们还没有准备好应对重大的太空天气事件。” 如果他说的没错，那么当那件事发生时，我们生活的大部分可能会受到影响：信息、通信、娱乐、经济活动、国家安全。 但这些只是我们天空中存在的漏洞。 根据大多数说法，当下一场极端太空风暴袭来时，真正的问题将出现在地面上。
如果太阳耀斑类似于火炮的枪口闪光，那么日冕物质抛射就是炮弹：速度更慢，但更具破坏性。 它需要 15 小时到几天的时间才能到达我们的星球，到那时它已经膨胀了很大。 到达后，它撞击我们的磁层，压平面对太阳的一侧(即白天侧)，并将夜间侧从地球上吹走，就像大风中的风sock一样。 如果您还记得法拉第定律，您就知道移动磁场会产生电流。 因此，最终是地球自身风暴肆虐的磁层使地球产生了过多的电荷，从而引发了太空天气事件的第三个也是最后一个阶段：地磁风暴。
虽然该风暴会影响任何长而金属的东西(管道、铁轨)，但它对电网构成最严重的威胁。 在美国，我们的电网分为三个区域。 东部互联从东海岸一直延伸到落基山脉; 西部互联从落基山脉延伸到太平洋; 德克萨斯州以其真正的孤星风格，独自行动。 在大多数情况下，电力无法从一个区域流向另一个区域——这就是为什么 2021 年冬季风暴期间德克萨斯州 75% 的地区停电时，没有外部能源供应商能够提供帮助。 但是，在每个区域内，电力自由流动——电力问题也可能如此，例如 2003 年俄亥俄州一条短路的电力线导致美国中西部、中大西洋和东北部大部分地区停电，导致 5500 万人陷入黑暗。
所有这些基础设施，一直延伸到加拿大边境形成北美电网，也称为大容量电力系统，因为它处理的是能量传输，而不是能量分配。 配电涉及将电力从当地变电站发送到附近需要它的所有地方——学校、交通信号灯、工厂、您厨房里的烤面包机。 通过输电将电力输送到该变电站，来自北美电网上的 6,000 多个发电设施(核电站、水电大坝、太阳能发电场等)之一通过高压输电线路进行输送，这些线路通常长数百英里，并以数百千伏的电压运行。 这是电网最薄弱的环节，也是太阳风暴最容易攻击的地方。
当磁暴在地球上空肆虐时，它会在地球周围产生强大的电流。 这些电流在地球的磁场中流动，就像在电线中流动一样。 如果它们足够强，它们会在地球上的长导线中感应出自己的电流，例如输电线路。 这些感应电流会使输电线路过载，就像您将太多电器插入一个插座一样。 变压器和其他设备可能会损坏，导致停电。
在 1989 年，一场强烈的地磁风暴袭击了加拿大魁北克省，导致该省大部分地区停电 9 小时。 这次停电影响了 600 万人，造成了数十亿美元的损失。 2003 年，另一场强烈的地磁风暴袭击了美国，导致部分地区停电，包括明尼苏达州和威斯康星州的部分地区。
专家们担心，下一次强烈的地磁风暴可能会造成更大的破坏。 美国国家科学院在 2013 年的一份报告中估计，一场极端的地磁风暴可能会使美国经济损失高达 2 万亿美元。
我们采取了一些措施来减轻太阳风暴的风险。 例如，电网运营商正在安装更好的设备来监测和保护其系统。 美国政府还制定了应对重大太阳风暴的计划。
但是，我们还需要做更多的事情。 我们需要投资研究，以更好地了解太阳风暴并预测它们。 我们还需要升级我们的基础设施，使其更能抵御太阳风暴的影响。
一场强烈的地磁风暴可能会对我们的生活产生重大影响。 它可能会导致停电、通信中断和交通运输延误。 它还可能损害关键基础设施，例如电网和卫星导航系统。
我们必须采取行动，减轻太阳风暴的风险。 我们不能掉以轻心。
本文译自 The New Yorker，由 BALI 编辑发布。