绚烂极光的背后,可能是地球躲不掉的灾难

果壳·2022-01-21 17:23
低纬极光,车站起火,电网瘫痪……地球还会面临更大灾难

1921年5月15日凌晨,正在北太平洋执行任务的船员们,看到天空中突然出现了明亮条纹。这些南北方向延伸的鲜红条纹覆盖了大半的天空,将整个地区照耀得异常通明。[1]十几分钟后,位于赤道附近的阿皮亚天文台观测到了同样的现象。[2]

他们在中低纬度地区,看到了极光

极光因其“绚于两极”的独特属性而得名。太阳产生的高能粒子受到地磁场作用,在地球两极碰撞大气分子而绚烂。极光越壮观,预示着太阳活动就越强烈。而这一次,极光不再囿于两极。

《科学》杂志报道了各地低纬度地区的极光现象丨参考文献[3]

这突如其来的“美丽极光”,其实暗含着更大的威胁。各地天文台通过对地磁环境的持续监测,发现部分地区的磁场强度比平静时增加了数倍。在强大的磁场干扰下,连指南针都不停颤动,完全“找不到北”。

一系列现象印证了专家们的猜想,地球此时正在经历一场“超级太阳风暴”

火起于天

这场来自太阳的“视觉盛宴”并没有让人们兴奋太久。

挪威、英国、美国、瑞典……异常的强大电流在全球电报系统中开始涌现,各地的通讯服务陆续中断。暗涌的电流并没有就此罢休,它们正打算用“烈烈火光”,呼应照耀天空的极光。

两天内,欧洲、美国多地接连爆发大火。在新英格兰中央火车站发生火灾后,媒体采访了当时的电报操作员Hatch。他的描述还原了火灾起因:工作当晚,他发现电线上突然开始“迸发”火花,不久电报的控制装置就燃起火焰,大火迅速蔓延并摧毁了整个控制塔台,造成进出站的火车严重延误。

3000公里外的瑞典电报站,交换机也莫名起火。这使得国内电信网络中断,通信中心遭到了灾难性的破坏。在接下来的几天里,全球多地电报系统保险丝熔断,一些电线上的杂散电压甚至超过了1000伏,不仅如此,电话的拨打和接听功能也全部失效,只能听到“嗡嗡”的噪声。一时间,全球各地陷入了通讯受阻的境况,许多国家和机构间的交流就此中断。[4]

图中黑点为1921年5月14日至15日期间报告发生极光和通讯异常的国家及地区丨参考文献[1]

5月16日,《纽约时报》刊登了关于中央火车站起火事件的详细报道:“太阳黑子与铁路的密切联系”。报道将极光现象与电力干扰的矛头,都指向了太阳活动,由此导致的电力系统毁坏直接“引发”了这一场巨大火灾。有学者将这一次太阳爆发称为“纽约铁路超级风暴”(New York Railroad Superstorm)[5 ],来标志这次事件带来的巨大影响。

1921 年 5 月太阳风暴的头条新闻丨spaceweather.com

太阳风暴导致的地磁场变化,会影响各类电力设备。对依赖电力的系统而言,这是一场逃不掉的灾难。

并非首次 尚未结束

这不是太阳活动第一次对人类日常生活造成如此严重的影响。

1859年9月,人类迄今为止遭遇到过的最强太阳风暴“卡林顿事件”发生了。剧烈的地磁扰动严重破坏了当时人类社会的最高技术系统——全球电报网络。多地的电报站机器都出现了火花现象。一位电报员回忆说,他在额头不小心擦到地线的时候,甚至感受到了强烈的电击 [6]。

而进入21世纪后,卫星也陷入了风暴灾难。2003年10月万圣节前后,太阳上发生了一系列极强的爆发活动,由于磁场扰动和高能粒子的影响,大量卫星受到影响,甚至直接失去控制。

2003年“万圣节事件”中的日冕物质抛射,该图中10月28日太阳活动爆发强度最大丨YouTube/NASA video

全球范围的通讯因此受到干扰。海事卫星电话系统瘫痪、珠峰探险队通讯中断、GPS导航定位精度大幅降低……为了避免辐射对人体的伤害,许多航班不得不降低高度,导致航线拥挤不堪,就连正在国际空间站上执行任务的宇航员也紧急转移至临时休息舱。[7]

太阳活动对卫星的影响模拟动画丨YouTube/What if

其实太阳并没有地面上看到的那么平静,太阳表面几乎每天都在发生着爆发事件,就像地球上火山喷发、地震一样,太阳活动也是一个在短时间内释放巨大能量的物理过程。

太阳喷发出大量高速运动团状物质的过程称为日冕物质抛射(CME),太阳表面发生的局部突然增亮的现象称为太阳耀斑。太阳爆发产生的高速粒子到达地球时,大量带电粒子注入地球并围绕着地球运动,地球环的电流增强引发了全球性的地磁扰动,这就是常说的“地球磁暴”

日冕物质抛射丨NASAGoddard

太阳耀斑丨NASAGoddard

地磁场变化产生的感应电场,使长距离输电线路上的电势差升高。电线中产生的高强度电流,会超出设备的承载能力,从而影响电力系统的正常使用。同时,过强的电流还会导致线路内温度升高,从而引起爆炸、火灾等更为严重的后果。

磁与电之间密不可分的关系,预示着当下科技的发展反而会让后果越来越严重

越先进,越危险

2021年,科学家在美国计算机协会数据通信专业组会议(SIGCOMM '21)上发表了报告,指出了太阳超级风暴可能会带来的“互联网末日”。太阳活动很可能破坏国家之间的海底电缆,致使全球互联网的中断。报告中提到,虽然当前的监测手段可以提前至少13个小时预警太阳风暴的到来,但我们能做的预警措施还太少了。

陆上传输线路及海底电缆分布丨参考文献[8]

当下,想要准确预测“太空天气”还很难。对于“太空天气”的预报,目前多是通过观测与数据推测事件发生的概率。部分天体物理学家预测未来十年内发生一场超级太阳风暴造成灾难性破坏的可能性在1.6%-12%,一旦这样的事件爆发,极有可能造成互联网的大规模破坏。[8]

面对灾难性的空间天气事件,人类没有“坐以待毙”。为了降低太阳风暴产生的影响,许多国家都开展了对太阳的实时监测,并对可能发生的太阳活动进行预报,以此来选择是否需要提前关闭卫星和电网。

我们的生活早已离不开电力、通讯、卫星等现代科技。而太阳风暴事件是科技发展的巨大考验。科技发展的脚步不会停下,而参透自然的路依旧漫长。

参考文献

[1] S.M.Silvermana, E.W.Cliver. Low-latitude auroras: the magnetic storm of 14–15 May 1921. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics ,63 (2001), 523–535.

[2] Angenheister, G., & Westland, C. J. (1921). The magnetic storm of May 13-16, 1921, at Apia Observatory, Samoa. Journal of Geophysical Research, 26(1–2), 30– 31.

[3] Douglass, A. E. (1921). The aurora of May 14, 1921. Science, 54(1383), 14-14.

[4] M. Hapgood. The Great Storm of May 1921: An Exemplar of a Dangerous Space Weather Event.Space Weather, 7( 2019), 950-975.

[5]Love, J. J., Hayakawa, H., & Cliver, E. W. (2019). Intensity and impact of the New York Railroad superstorm of May 1921. Space Weather, 17(8), 1281-1292.

[6] D.H.Boteler. The super storms of August/September 1859 and their effects on the telegraph system. Advances in Space Research, Volume 38, Issue 2, 2006, Pages 159-172

[7] https://mp.weixin.qq.com/s/fO8rCkWanoN4R_8ksd3Rgg

[8] Solar Superstorms: Planning for an Internet Apocalypse. SIGCOMM '21: Proceedings of the 2021 ACM SIGCOMM 2021 Conference, August 2021,Pages 692–704.

本文来自微信公众号 “果壳”(ID:Guokr42),作者:SY,36氪经授权发布。

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