1859年8月28日星期日，當夜幕降臨美洲大陸時，已經可以看到天空中極光的幽靈般輪廓。從緬因州到佛羅里達州頂端，天空中出現了生動的光幕。驚慌失措的古巴人看到極光就在頭頂；靠近赤道的航海日誌描述了深紅色的光芒延伸到天頂的一半。許多人以為他們的城市著火了。世界各地的科學儀器，耐心地記錄著地球磁場的微小變化，突然超出量程，虛假的電流湧入世界各地的電報系統。在巴爾的摩，電報員從晚上 8 點一直工作到第二天上午 10 點，才傳送了一份 400 字的新聞報道。
在隨後的星期四，9 月 1 日中午之前，英國天文學家理查德·卡林頓正在繪製一組奇特的太陽黑子——之所以說奇特，是因為這些黑子區域面積巨大。上午 11:18，他目睹了太陽黑子群中兩個位置閃現出強烈的白光。他徒勞地向天文臺裡的任何人呼喊，讓他們來看看這短暫的五分鐘奇觀，但孤獨的天文學家很少有觀眾來分享他們的興奮。十七個小時後，在美洲，第二波極光將黑夜變成了白天，遠至巴拿馬。人們可以在深紅色和綠色的光線下閱讀報紙。落基山脈的金礦工人在凌晨 1 點醒來吃早餐，以為是陰天太陽昇起了。整個歐洲和北美的電報系統都變得無法使用。
當時的新聞媒體尋找能夠解釋這種現象的研究人員，但在當時，科學家們幾乎完全不瞭解極光顯示。它們是來自太空的隕石物質、極地冰山的反射光，還是高海拔的閃電？正是 1859 年的大極光開創了一個新的範例。《大眾科學》10 月 15 日刊指出，“現在已經完全確立了北極光與電力和磁力之間的聯絡。”此後的研究表明，極光顯示最終源於太陽上的劇烈事件，這些事件會發射出巨大的等離子云，並短暫地擾亂我們地球的磁場。
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1859 年風暴的影響之所以被減弱，僅僅是因為當時我們的技術文明還處於起步階段。如果今天再次發生，可能會嚴重損壞衛星，使無線電通訊癱瘓，並導致波及整個大陸的停電，這將需要數週或更長時間才能恢復。儘管如此規模的風暴是 500 年一遇的罕見事件，但強度只有一半的風暴大約每 50 年發生一次。上一次發生在 1960 年 11 月 13 日，導致了全球範圍內的地磁擾動和無線電中斷。如果我們不做任何準備，根據一些計算，另一次超級風暴的直接和間接成本可能相當於一次大型颶風或地震。
大事件
太陽黑子的數量以及其他太陽磁活動跡象，以 11 年為週期增減。當前的週期始於今年 1 月；在未來五年半的時間裡，太陽活動將從目前的平靜期逐漸增強。在之前的 11 年裡，有 21,000 次耀斑和 13,000 團電離氣體或等離子體從太陽表面爆發。這些現象統稱為太陽風暴，源於太陽氣體的持續翻騰。在某些方面，它們是地球風暴的放大版，重要的區別在於磁場像花邊一樣覆蓋著太陽氣體，塑造並激發它們的能量。耀斑類似於雷暴；它們是由太陽標準下相對較小規模（跨越數千公里）的磁場變化引起的能量粒子和強烈 X 射線爆發。所謂的日冕物質拋射 (CME) 類似於颶風；它們是巨大的磁泡，直徑達數百萬公里，以每小時數百萬公里的速度將數十億噸的等離子云拋向太空。
這些風暴大多數只會導致極地天空中出現極光——相當於地球上的小陣雨。然而，偶爾太陽會釋放出狂風。今天在世的人們沒有人經歷過全面的超級風暴，但它們的一些蛛絲馬跡已在一些令人驚訝的地方出現。在格陵蘭島和南極洲的冰芯資料中，馬里蘭大學的肯尼斯·麥克拉肯發現了被困硝酸鹽氣體濃度的突然跳躍，近幾十年來，這似乎與已知的太陽粒子爆發有關。1859 年發現的硝酸鹽異常是過去 500 年來最大的一次，其嚴重程度大致相當於過去 40 年所有重大事件的總和。
儘管 1859 年的超級風暴非常猛烈，但它似乎與較小的事件在性質上沒有區別。我們兩人以及許多其他研究人員，已經根據當時的史料以及近幾十年溫和風暴的放大測量結果重建了當時發生的事情，這些風暴已經由現代衛星進行了研究
1. 風暴聚集。 在太陽上，1859 年超級風暴的先決條件是，在太陽黑子週期的峰值附近出現了一個巨大的、近赤道的太陽黑子群。這些太陽黑子非常大，以至於卡林頓等天文學家可以用肉眼（但要適當保護）看到它們。在風暴釋放最初的 CME 時，這個太陽黑子群正對著地球，使我們的星球完全處於靶心之中。然而，太陽的瞄準不一定如此精確。當 CME 到達地球軌道時，它通常已經扇形展開，寬度約為 5000 萬公里，比我們的星球寬數千倍。
2. 第一次爆發。 超級風暴釋放的不是一次而是兩次 CME。第一次可能需要通常的 40 到 60 個小時才能到達。1859 年的磁力計資料顯示，噴射等離子體中的磁場可能呈螺旋形。當它第一次撞擊地球時，磁場指向北方。在這種方向上，磁場增強了地球自身的磁場，從而最大限度地減少了其影響。CME 確實壓縮了地球的磁層——地球磁場支配太陽磁場的近地空間區域——並在地面磁力計站記錄為太陽科學家所說的突發風暴開始。否則，它就被忽視了。然而，隨著等離子體繼續流過地球，它的磁場緩慢地旋轉。15 小時後，它與地球磁場相對而不是增強地球磁場，使我們星球指向北方的磁力線和等離子云指向南方的磁力線接觸。然後，磁力線重新連線成更簡單的形狀，釋放出大量儲存的能量。那時，電報中斷和極光顯示開始了。在一兩天內，等離子體掠過地球，我們星球的地磁場恢復正常。
3. X 射線耀斑。 最大的 CME 通常與一個或多個強烈的耀斑同時發生，1859 年的超級風暴也不例外。卡林頓和其他人在 9 月 1 日觀察到的可見耀斑意味著溫度接近 5000 萬開爾文。因此，它可能不僅發射可見光，還發射 X 射線和伽馬射線。這是有史以來記錄到的最耀眼的太陽耀斑，表明釋放到太陽大氣中的能量巨大。輻射在八分半鐘的光傳播時間後擊中地球，遠早於第二次 CME。如果存在短波無線電，它們將被電離層（反射無線電波的高海拔電離氣體層）中的能量沉積而變得毫無用處。X 射線能量還加熱了高層大氣，並使其膨脹了數十或數百公里。
4. 第二次爆發。 在環境太陽風等離子體有時間填充第一次 CME 透過形成的空腔之前，太陽又發射了第二次 CME。由於幾乎沒有物質阻礙它，CME 在 17 小時內到達地球。這一次，CME 磁場在撞擊時指向南方，地磁混亂立即發生。它的猛烈程度如此之大，以至於它將地球的磁層（通常延伸約 60,000 公里）壓縮到 7,000 公里，甚至可能壓縮到平流層上層本身。環繞我們星球的範艾倫輻射帶暫時消失，大量質子和電子被傾瀉到高層大氣中。這些粒子可能是造成世界大部分地區看到強烈紅色極光的原因。
世界。
5. 高能質子。 太陽耀斑和強烈的 CME 也將質子加速到 3000 萬電子伏特或更高的能量。在北極地區，地球磁場提供的保護最少，這些粒子穿透到 50 公里的高度，並在電離層中沉積了額外的能量。根據沃什伯恩大學的布賴恩·托馬斯的說法，1859 年超級風暴的質子雨使平流層臭氧減少了 5%。該層花了四年時間才恢復。能量超過 10 億電子伏特的最強質子與空氣中氮原子和氧原子的原子核發生反應，產生中子並造成硝酸鹽丰度異常。中子雨到達地面，這就是現在所謂的地面水平事件，但當時沒有人類技術可以探測到這種襲擊。幸運的是，它對健康沒有危害。
6. 大規模電流。 隨著極光從通常的高緯度地區蔓延到低緯度地區，伴隨而來的電離層和極光電流在地表感應出強烈的、跨越大陸的電流。這些電流進入了電報電路。多安培、高壓放電導致了接近電擊事件，據報道燒燬了幾個電報站。
烤焦的衛星
當大型地磁風暴再次發生時，最明顯的受害者將是衛星。即使在正常條件下，宇宙射線粒子也會侵蝕太陽能電池板，每年使發電量減少約 2%。入射粒子還會干擾衛星電子裝置。許多通訊衛星，例如 1994 年的 Anik E1 和 E2 以及 1997 年的 Telstar 401，都因此受到損害或丟失。一場大型太陽風暴可能會在幾小時內造成一到三年的衛星壽命損失，併產生數百個故障，範圍從錯誤但無害的命令到破壞性的靜電放電。
為了瞭解通訊衛星的執行狀況，我們模擬了超級風暴可能發生的 1,000 種方式，強度從太空時代最嚴重的風暴（發生在 1989 年 10 月 20 日）到 1859 年的超級風暴不等。我們發現，風暴不僅會像預期的那樣降低太陽能電池板的效能，還會導致轉發器收入的重大損失。總成本通常會超過 200 億美元。我們假設衛星所有者和設計者會透過在衛星發射時保持充足的備用轉發器容量和 10% 的功率裕度來減輕影響。在不太樂觀的假設下，損失將接近 700 億美元，這相當於所有通訊衛星一年的收入。即使是這個數字也不包括衛星客戶的附帶經濟損失。
幸運的是，地球同步通訊衛星對於十年一遇的事件來說非常強大，而且它們的壽命已從 1980 年的不到五年增長到今天的近 17 年。對於太陽能電池板，工程師已從矽切換到砷化鎵，以提高發電量並減少質量。此舉還提高了對宇宙射線損傷的抵抗力。此外，衛星運營商還會收到美國國家海洋和大氣管理局太空天氣預報中心的高階風暴預警，這使他們能夠在風暴可能來臨時避免複雜的衛星機動或其他變化。這些策略無疑會減輕大型風暴的衝擊。為了進一步加固衛星，工程師可以加厚遮蔽層，降低太陽能電池板電壓以降低失控靜電放電的風險，增加額外的備用系統，並使軟體更強大以抵抗資料損壞。
很難防範其他超級風暴效應。X 射線能量沉積會導致大氣膨脹，從而增強對高度低於 600 公里的軌道上執行的軍用和商用成像和通訊衛星的阻力。日本的先進宇宙學和天體物理衛星就在 2000 年 7 月 14 日臭名昭著的巴士底日風暴期間經歷了這種情況，這場風暴引發了一系列姿態和功率損失，最終導致其在幾個月後過早重返大氣層。在超級風暴期間，低軌道衛星將在事件發生後數週或數月內面臨在大氣層中燒燬的巨大風險。
停電
至少我們的衛星經過專門設計，可以在太空天氣的變化無常下執行。相比之下，電網在最佳狀態下也很脆弱。根據勞倫斯伯克利國家實驗室的克里斯蒂娜·哈馬奇-拉科馬雷和約瑟夫·H·埃託的估計，美國經濟每年因區域性停電和電壓驟降而遭受 800 億美元的損失。過去十年電力裕度的下降也使得剩餘容量減少，無法跟上飆升的需求。
在太陽風暴期間，會出現全新的問題。大型變壓器電氣接地，因此容易受到地磁感應直流電 (DC) 造成的損壞。直流電沿變壓器接地線向上流動，可能導致變壓器繞組中的溫度升高 200 攝氏度或更高，導致冷卻劑汽化並真正燒燬變壓器。即使變壓器避免了這種命運，感應電流也可能導致其磁芯在交流電週期的一半時間內飽和，從而扭曲 50 或 60 赫茲的波形。部分功率被轉移到電氣裝置無法濾除的頻率。變壓器不會發出純淨的嗡嗡聲，而是開始發出咔噠聲和尖叫聲。由於磁暴會影響全國各地的變壓器，因此這種情況可能會迅速升級為網路範圍內的電壓調節崩潰。電網的執行非常接近故障邊緣，因此不需要太大的力量就可以將它們推過邊緣。
根據 Metatech Corporation 的約翰·G·卡彭曼的研究，如果 1921 年 5 月 15 日的磁暴發生在今天，將導致北美一半地區停電。像 1859 年那樣更大的風暴可能會摧毀整個電網。其他工業國家也很脆弱，但北美由於靠近北磁極而面臨更大的危險。由於變壓器的物理損壞，完全恢復和更換損壞的元件可能需要數週甚至數月的時間。卡彭曼在 2003 年向國會作證時說，“為可能超過 1 億人的人口提供有意義的緊急援助和響應將是一個艱鉅的挑戰。”
超級風暴還會干擾無線電訊號，包括全球定位系統 (GPS) 和相關係統的訊號。強烈的太陽耀斑不僅會擾亂定時訊號傳播的電離層，還會產生 GPS 頻率的無線電噪聲。結果將是 50 米或更大的位置誤差，使 GPS 對於許多軍事和民用應用來說毫無用處。2003 年 10 月 29 日的風暴也發生了類似的精度損失，該風暴關閉了廣域增強系統，這是一個提高 GPS 位置估計精度的無線電網路。商用飛機不得不求助於飛行備份系統。
高能粒子會干擾飛機無線電通訊，尤其是在高緯度地區。聯合航空公司經常監測太空天氣狀況，並曾多次將極地航班改道至較低的高度和緯度，以躲避無線電干擾。超級風暴可能會迫使數百架航班改道，不僅飛越極地，還飛越加拿大和美國北部。這些不利條件可能會持續一週。
準備就緒
具有諷刺意味的是，社會對太陽風暴的日益脆弱與公眾意識的降低同時發生。我們最近調查了自 1840 年代以來報紙對太空天氣事件的報道，發現大約在 1950 年左右發生了重大變化。在此之前，磁暴、太陽耀斑及其影響經常在報紙頭版上獲得大量報道。《波士頓環球報》在 1940 年 3 月 24 日刊登了一個兩英寸的標題“美國遭受磁暴襲擊”。然而，自 1950 年以來，此類報道已被埋沒在內頁。
即使是相當小的風暴也很昂貴。2004 年，美國天主教大學的凱文·福布斯和美國宇航局戈達德太空飛行中心的奧維爾·克里斯·聖西爾審查了 2000 年 6 月 1 日至 2001 年 12 月 31 日的電力市場，並得出結論，在此期間，太陽風暴使電力批發價格上漲了約 5 億美元。與此同時，美國國防部估計，政府衛星因太陽干擾造成的損失約為每年 1 億美元。此外，衛星保險公司在 1996 年至 2005 年間支付了近 20 億美元，以賠償商業衛星的損壞和損失，其中一些是由不利的太空天氣引發的。
如果我們能夠獲得更可靠的太陽風暴和地磁風暴預警，我們將受益匪淺。有了充分的預警，衛星運營商可以推遲關鍵的機動，並注意異常情況，如果不能迅速採取行動，異常情況可能會升級為危急情況。飛行員可以為有條不紊的航班改道計劃做好準備。電網運營商可以關注易受影響的網路元件，並制定計劃，以最大限度地縮短電網可能停運的時間。
美國宇航局和國家科學基金會等機構在過去 20 年中致力於開發太空天氣預報能力。目前，美國國家海洋和大氣管理局的太空天氣預報中心每天向 1,000 多家企業和政府機構提供太空天氣報告。其年度預算為 600 萬美元
遠低於這些預報所支援的行業產生的近 5000 億美元的收入。但這種能力依賴於為研究目的而設計的各種衛星，而不是用於高效、長期的太空天氣監測。
一些研究人員認為，我們預測太空天氣的能力與美國國家海洋和大氣管理局在 1950 年代初預測大氣天氣的能力相當。從監測的角度來看，需要的是廉價、長期的太空浮標，使用簡單的現成儀器來監測天氣狀況。與此同時，科學家們還有很長的路要走，才能瞭解太陽風暴的物理原理並預測其影響。如果我們真的想保護我們的技術基礎設施，我們將不得不加倍投資於預報、建模和基礎研究，以便為下一次太陽風暴做好準備。
注意：本文最初印刷時的標題為“為應對太陽超級風暴做好準備”。
