太阳风暴怎样影响地球

地球的磁场和大气怎样提供防护

照片右边，树冠是一团黑色的剪影。树梢上方的天空里，绿色的光带向画面中央汇拢，左边铺着红色和橙红色的亮光，光带之间还能找到细小的星点。照片拍摄于2024年5月10日，地点是加拿大不列颠哥伦比亚省西南部。那几天，太阳风暴让许多地方的夜空出现了平时少见的光。

极光在稀薄的高层大气里发亮。太阳带来的变化怎样到了那里？要跟上这件事，得先看看地球周围有什么，以及它们怎样保护地面上的我们。

从地面往上，首先是空气。我们呼吸的空气只是大气的一部分，大气一直向高处延伸，越往上越稀薄。一束可见光可以穿过很长一段空气，所以我们能在白天看到太阳，也能在夜里看到星星和极光。可太阳发出的其他辐射，经过大气时就有不同的遭遇。

太阳发出的X射线，会在高空被气体吸收，把能量交给那里的原子、分子。许多紫外线也被大气中的气体吸收，只有一部分到达地面。同样从太阳出发，有些光能照到树叶和泥土上，有些辐射却在上空就被吸收了。大气让大部分可见光通过，同时挡住了许多会伤害生物的辐射。

来到地球附近的还有带电粒子。太阳风就是太阳不断向外送出的带电粒子流，主要有电子和质子。它们飞向地球时，通常先在远离稠密大气的地方遇到地球磁场的作用。

指南针的小磁针会转动，是因为它受到了地球磁场的作用。这种磁场也伸向地球周围的太空。带电粒子在磁场中运动时，方向会受到影响；原本朝地球飞来的许多粒子会改变路线，随太阳风绕过地球周围的一大片区域，继续向前流去。

在地球周围的一大片区域里，地球自身的磁场占主导地位，带电粒子的运动主要受它约束，这片区域叫磁层。它一直伸到太空中，比包围树木和云层的大气宽广得多。科学家测量磁场和粒子的变化，才能找到磁层的边界。

太阳风一直在流，磁层也就一直受着它的推挤。朝向太阳的一侧被压得较扁，背着太阳的一侧则被拉长，拖出一条很长的磁尾。太阳风变强、变弱，或是带来的磁场发生变化，磁层的大小和形状也会跟着改变。

磁场改变带电粒子的路线，大气则会吸收辐射，也会让进入其中的粒子在碰撞中损失能量。两者做的事各不相同。太阳发来的光，包括X射线，都不带电，可以穿过磁层，继续向大气传播。X射线最后在高空被吸收，靠的是那里的气体。

有些粒子仍能进入磁层，接近高层大气。继续向下运动时，它们会与空气中的原子、分子碰撞，把能量传出去。地面上方有大量空气，这些碰撞让许多来自太空的粒子难以一路穿到地面。因此，站在地面看极光，与乘坐飞船到太空中去，面对的是很不一样的环境：地面上的人还有头顶整层大气的保护，飞船外面的空气却少得多，有时已经几乎没有了。

太阳风暴的不同影响何时抵达地球

2024年5月7日至11日，太阳接连发生强耀斑，还朝地球方向抛出了好几团带电气体。爆发时发出的辐射，很快就被地球附近的仪器记录下来。那些向外飞去的气体却还在路上，要等更久才会来到地球附近。同一次爆发带来的不同变化，常常相隔很长时间才先后到达。

最快到达的是光。耀斑发生时，太阳某处突然释放出很强的电磁辐射，其中包括我们看不见的X射线。它们和可见光一样，都以光速传播，从太阳来到地球大约需要八分钟。到达地球后，增强的X射线被朝着太阳一侧的高层大气吸收。在地球附近观测耀斑的仪器，接收到的也正是这时到来的辐射。所以，仪器看到太阳上的耀斑时，日侧高层大气已经开始受到它的影响。

爆发时，还有一些带电粒子会被加速，跑得非常快，其中常见的是质子。这些高能粒子的速度，比整团向外抛出的气体快得多。最快的一部分质子，只要几十分钟，甚至更短，就能来到地球附近。不过，带电粒子会受到磁场的引导，走过的路也有差别。它们何时被加速、跑得多快，以及太阳与地球之间的磁场怎样分布，都会改变它们到达的时间。某次耀斑出现以后，高能粒子究竟何时增多，要看那次爆发的实际情况。

太阳抛出的整团气体，赶到地球通常要花更长的时间。日冕物质抛射发生时，大量带电气体离开太阳，连同磁场一起向外传播。它们一边前进，一边向四周展开。朝着地球传播的抛射物，最快的大约十五到十八小时就能赶到，慢一些的则要几天。

2024年5月，先后抛出的几团气体在途中相互追赶、挤在一起，从5月10日起陆续抵达地球附近。太阳上的爆发过去了一段时间，地球周围才迎来这些气体和磁场。与此同时，太阳上还可能发生新的耀斑。因此，同一天记录到的耀斑和地球附近的剧烈变化，可能来自不同时间的爆发。

太阳上的一次爆发，可能同时带来几种变化，也可能只让其中某一种特别明显。抛射物若朝别的方向飞去，就会错过地球；即使来到地球附近，它携带的磁场方向不同，也会使进入地球磁层的能量有多有少。所以，同样强的耀斑，也可能伴随着程度不同的地磁变化。

太阳平日吹出的太阳风也有快有慢，高速太阳风来到地球附近，同样可能扰动磁层。2024年5月那场风暴中，连续到来的抛射物让磁层接连受到扰动。

极光与地磁变化

2024年5月，极光出现在许多平时很少见到它的地方，连美国南部和印度北部也有观测报告。夜空中的光，来自地球高空的空气。让空气发光的能量，来自更远处的太阳风。

太阳风到达地球周围时，它携带的磁场会与地球磁场相遇。相遇处的磁场方向相反时，两边的磁场更容易重新连接，太阳风便能把更多能量传进磁层。这种重新连接叫磁重联。太阳风继续向前流，带动重新连接的磁场向地球背后伸展，磁尾中的磁场便积累了更多能量。

磁尾中的磁场也会发生重联，把积累的能量释放出来。这里的变化会伴随电场和波动，推动一些粒子，使它们运动得更快，也会改变另一些粒子的运动方向。不同极光中，电子获得能量和改变方向的具体经过有所不同。磁层里原本就有许多电子，其中一部分因此朝地球的高层大气运动。太阳风把能量传了进来，参与发光过程的电子却可能早已在地球周围。

电子的运动受到磁场约束，常常一边转圈，一边沿着磁场的方向前进。在两极附近，一部分电子沿着这样的路径，进入地球的高层大气。通常，极光多出现在南北两极周围的一圈区域。风暴强烈时，出现极光的区域会向离极地更远的地方扩展，更多地方的人便有机会在夜里看见它。

这些电子进入高空后，会遇到稀薄的氧和氮。电子撞上氧原子或氮分子，把一部分能量交给它们。获得能量的原子、分子随后放出光，许多次碰撞和发光汇在一起，便成为夜空中的极光。

空气里的物质不同，发出的光也不同。氧原子可以发出绿色或红色的光，氮也能带来蓝色、紫色等色彩。发光所在的高度同样要紧，因为不同高度的空气稀密不同，碰撞的机会也不同，会影响气体怎样放光。几种光在视线中重叠，还会显出更多颜色。章首照片里的红色和绿色，来自高空气体发出的光。照片能记录颜色，发光的具体高度还需要结合其他观测来确定。

天空发亮的时候，地面上的磁场测量仪也在记录变化。仪器不必看见极光，它测的是所在位置的磁场有多强、朝哪个方向。这些磁场变化，与高空中流动的电荷有关。

太阳发出的X射线、极紫外线等照到高层大气，会让一部分原子、分子失去电子。进入高空的高能粒子也能通过碰撞，让气体失去电子。失去电子的原子、分子成了带电的离子，脱离出来的电子也能自由移动。含有这些电子和离子的高空区域，叫电离层。这里也有许多没有带电的原子、分子。

电荷朝一定方向流动，就形成电流。太阳风把能量传入后，磁层中粒子的运动会改变，电流也会变化；有些电流沿磁场方向，把磁层和电离层连在一起，还有电流在极光所在的高空区域流过。这些电流各自产生磁场，与地球原有的磁场叠加。电流增强、减弱或改变位置时，地面仪器测得的磁场便跟着变化。这些电流的位置和流向不同，在各处产生的磁场也会不同，同一场风暴在不同观测站留下的记录便会有差别。研究人员把多处记录放在一起，才能知道地磁扰动在更大范围内怎样发展。

太阳风把大量能量传进磁层时，地球周围的粒子、电流和磁场可能发生强烈变化，造成大范围的地磁扰动，这就是地磁暴。2024年5月那场风暴期间，广泛出现的极光和地磁观测记录，分别留下了高空气体发光与磁场受扰的证据。不过，照片还受相机、拍摄方式和当地天空状况影响。地磁变化有多强、变得多快，还得靠仪器连续测量。

通信与导航为何失常

2024年5月的太阳风暴期间，有些播种作业暂停了。美国航空航天局汇总的农业用户报告中，部分GPS设备的定位精度明显下降。田里的设备需要知道自己走到了哪里，才能按安排好的路线作业；位置算不准，播种就可能受到耽误。

GPS是一套卫星定位系统。卫星在地球周围运行，不断向地面发送无线电信号。农机上的接收机收到信号后，要从中读出卫星的位置，以及信号是什么时候发出的。把发出和收到的时刻作比较，就能知道信号在路上用了多久。无线电传播得很快，时间只差一点，算出的距离就会差不少。

知道到一颗卫星的距离，还不能确定接收机在哪里，因为许多地点到这颗卫星都一样远。接收机需要同时收到不同方向上几颗卫星的信号，把几组距离放在一起，才能找出自己的位置。地面设备里的钟，也没有卫星上的钟那么准，所以计算时还要把钟的误差一起求出来。

每组距离都从传播时间算起，途中经过的空气就很重要。卫星信号从太空来到田里，要穿过电离层。那里的自由电子会改变信号的传播，使接收机测得的传播时间与只按真空中的光速计算的时间有差别。电离层平静时，这种差别比较容易估计，设备可以在计算中加以修正。

风暴中，电离层不同地方的电子分布会发生变化。有些地方电子增多，有些地方减少，变化还可能很快。原先适用的修正跟不上这些变化，算出的卫星距离就会有误差。几颗卫星的信号从不同方向穿过电离层，沿途遇到的情况又不一样，最后算出的位置也可能偏离设备实际所在的地方。

接收机还可能遇到另一种困难：信号的强弱迅速起伏。电离层里电子分布很不均匀时，穿过的无线电波受到不同程度的改变，传到接收机的信号便可能忽强忽弱。设备本来需要持续跟住信号，才能不断计算位置；如果变化太快，或者信号一时太弱，它就可能跟不上，暂时失去这颗卫星的信号。能用的信号少了，设备可能算得不准，也可能一时给不出可靠的位置。

不同设备受到的影响并不一样。有的能用更多卫星信号，有的能更好地修正电离层造成的误差，设备经过的地区也各有不同。2024年5月的农业报告，记录的就是一部分用户遇到的困难。

短波无线电也要经过电离层，不过，它借助电离层把消息送到远处。地面天线向斜上方发出的短波，可以在电离层中逐渐弯回地面。这样，信号就能到达地平线以外，送到地面两座天线无法直接相望的地方。

信号在到达能使它弯回来的较高区域以前，要先穿过电离层中较低、空气较稠密的部分。耀斑增强的X射线和极紫外辐射照到地球白天这一侧，会使这部分空气产生更多自由电子。短波使电子来回运动，电子又频繁撞上周围的气体，把从无线电波那里获得的一部分能量传了出去。电子越多，信号经过时损失的能量就可能越多。

于是，原本能够到达远方的短波，在途中就变弱了。吸收严重时，接收端可能听不清，甚至收不到消息。这种干扰主要发生在当时受太阳照射的区域。地磁暴还会改变电离层的电子分布，使短波弯回地面的方向和到达的地方发生变化，原先通畅的通信也可能因此变得困难。

卫星、电网与航天风险

卫星上的计算机也会受到太阳风暴的干扰。它们靠电子器件存下数据、执行指令，而有些高能粒子能穿过卫星外壳，进入这些器件。粒子一路穿过材料，会撞出一些电子，留下原本不该出现在那里的电荷。对于很小的电路，多出的电荷就可能把一个存储的数字改掉，让计算机读错数据或执行出错。

有些错误是暂时的，纠正数据或重新启动后，设备还能继续工作。另一些粒子会损伤器件内部的材料，或者触发异常电流，造成更难恢复的故障。卫星采用怎样的电子器件、外面有多少屏蔽材料，都会改变结果。同一场风暴中，有的卫星照常工作，有的需要暂停部分任务。

低轨卫星还会遇到另一件事：飞过的空气变多了。卫星离地面已经很远，但在那里，大气仍留下极稀薄的气体。卫星高速穿过这些气体时，不断与气体粒子碰撞，会受到阻力。平时阻力虽小，日积月累也会使轨道降低。

地磁暴发生时，从磁层进入高层大气的粒子会在碰撞中交出能量。高空的电流也会给气体加热：在电场推动下运动的带电粒子与周围气体碰撞，把能量传过去。高层大气得到更多热量后，气体向更高处扩展。原先位于较低处的气体也扩展上来，在一些低轨卫星原来的飞行高度，气体就比平时多了。卫星穿过的气体越多，受到的阻力越大，轨道也会下降得更快。这里受热的是高层大气，离我们日常生活的近地空气很远。

2024年5月，美国一颗用激光测量冰、水面和陆地高度的卫星，就遇到了增大的阻力。5月10日，它的自动保护程序作出反应，测量仪器停止工作。美国航空航天局随后公布，团队用推进器调整了轨道，仪器在6月21日恢复采集数据，没有检测到卫星或仪器受损。

卫星受到多大阻力，还要看飞行高度、外形和质量。相同的风暴来临，较高轨道上的卫星和较低轨道上的卫星，遇到的气体数量会很不一样。

地面上，长长的输电线也可能受到地磁暴干扰。高空电流变化时，地面的磁场跟着变化，地面还会出现电场。电场能推动电荷移动。土壤和岩石有一定的导电能力，输电线路上的一些设备又与大地相接，于是长导线、接地设备和大地可以连成电流流过的通路。沿着这样的通路，会有额外的电流进入电网。

变电站里的变压器用来升高或降低电压，让电能适合远距离输送，或适合送进用户家里。变压器内部有线圈和铁芯，线圈通电后会产生磁场，铁芯能增强这个磁场。正常工作时，交流电不断改变方向，铁芯中的磁场也跟着来回变化。变化的磁场能在不同线圈之间传递电能，还会在线圈中产生限制电流过快增大的作用。

地磁暴带来的额外电流变化慢得多，在一段时间里，会让铁芯中的磁场偏向一个方向。交流电产生的磁场也朝这个方向增强时，铁芯就更容易接近增强磁场的极限。一旦接近这个极限，电流继续增大，磁场却很难像原来那样继续增强，线圈原本限制电流增大的作用便减弱了。这时，线圈中可能出现异常大的电流，变压器中的部分结构因而发热，电网电压也可能难以保持稳定。

保护设备发现异常后，会切断部分设备或线路，防止问题扩大。但少了一些输电线路或设备，其余部分就要承担更多负担，严重时会出现供电困难，甚至停电。有些设备可能损坏，有些则是在保护装置动作后暂时退出运行。地下岩石怎样导电、线路怎样铺设、设备怎样接地，都影响额外电流有多大，因此不同地区的电网会有不同反应。

在载人航天器里，航天员也会受到高能粒子的影响。地面的人头顶有厚厚的大气，许多高能粒子在到达地面前，就已经与空气中的原子和分子发生了碰撞。航天器外面的空气却十分稀薄，少了地面上方那样厚的大气保护。

高能粒子如果穿过舱壁进入人体，也会使组织里的原子或分子失去电子。细胞内一些重要分子会因此受损，其中包括保存遗传信息的DNA。粒子还可能先改变细胞里的水分子，再由产生的活泼物质损伤细胞。受到的粒子越多、停留在这样的环境里越久，累积受到的辐射就可能越多。粒子也有不同的种类，每个粒子带着的能量也不一样。所以，即使进入人体的粒子一样多，细胞受到的损伤也可能不同。

航天器的舱壁和专门布置的屏蔽材料能挡住一部分粒子，让航天员少受一些辐射。国际空间站在近地轨道运行，仍受到地球磁场的部分保护；前往月球等更远地方的航天员，会离开磁层的大部分保护范围。航天员受到多少辐射，与他们在哪里、舱壁挡住了多少粒子，以及这次太阳放出的粒子有关。飞在高空的飞机，上方的大气比地面上方薄得多。靠近两极时，一些来自太空的高能粒子也更容易顺着磁场进入大气。因此，在强烈的太阳粒子事件中，高纬度、高空航线上的人员也可能多受到一些辐射。

历史上的太阳风暴告诉了我们什么

1859年9月1日，观测者在太阳上看到了突然出现的亮光，记下了一次耀斑。随后，地球上出现了大范围的极光，电报线路也出了问题。

那时，人们已经能借助电线，把消息传到远方。电报员用长短不同的电信号表示文字，线路另一端再把信号还原成消息。可是在那场风暴中，有些线路无法正常传信；另一些线路却出现了奇怪的情况：电报员断开供电的电池后，仍能通过这些线路传出消息。后来的研究人员从当年的报道中找到了这些记载。

电池已经断开，电线上为什么还会有电流？我们现在知道，地磁场快速变化时，线路和大地构成的通路中可以出现额外的电流。它可能干扰正常信号，有时也能暂时让电报继续工作。同一场风暴，在线路上造成的结果会随地点和线路情况改变。

一百三十年后，地磁暴又扰乱了加拿大的一张大电网。1989年3月13日，加拿大魁北克当地时间凌晨2点44分，地磁场剧烈变化。电网的保护设备接连动作，魁北克电网很快便发生了大停电。只有少数地区没有停电。其他地区陆续恢复供电，前后用了大约九个小时。

这次停电留下了电力公司的运行记录，人们可以按时间查清哪些设备先动作，电网接着怎样变化。与十九世纪的报纸记载相比，这些记录能把故障发生的先后讲得更细。

这些事件留下的记录也不一样。1859年没有今天这样的卫星，太阳喷出了多少物质、途中磁场怎样变化，许多细节没有留下直接测量。研究人员需要结合保存下来的观测和报道，估计那场风暴有多强。今天的仪器能测到更多东西，电网和导航设备也已不同。设备的工作方式和周围环境不同，同一场太阳风暴带来的影响也可能不同。

太阳离我们很远，地球上的机器却没有与它隔绝。人们把电线铺得更远，把设备送上天空，也让日常生活更多地依靠这些设备。太阳活动带来的变化，经过地球周围的磁场和大气，有时便会让一条消息发不出去，让一片地区暂时失去供电。我们住在地面上，生活也与头顶更远处正在发生的事相连。