1859年8月28日星期日，当夜幕降临美洲大陆时，已经可以看到天空中极光的幽灵般轮廓。从缅因州到佛罗里达州顶端，天空中出现了生动的光幕。惊慌失措的古巴人看到极光就在头顶；靠近赤道的航海日志描述了深红色的光芒延伸到天顶的一半。许多人以为他们的城市着火了。世界各地的科学仪器，耐心地记录着地球磁场的微小变化，突然超出量程，虚假的电流涌入世界各地的电报系统。在巴尔的摩，电报员从晚上 8 点一直工作到第二天上午 10 点，才发送了一份 400 字的新闻报道。
在随后的星期四，9 月 1 日中午之前，英国天文学家理查德·卡林顿正在绘制一组奇特的太阳黑子——之所以说奇特，是因为这些黑子区域面积巨大。上午 11:18，他目睹了太阳黑子群中两个位置闪现出强烈的白光。他徒劳地向天文台里的任何人呼喊，让他们来看看这短暂的五分钟奇观，但孤独的天文学家很少有观众来分享他们的兴奋。十七个小时后，在美洲，第二波极光将黑夜变成了白天，远至巴拿马。人们可以在深红色和绿色的光线下阅读报纸。落基山脉的金矿工人在凌晨 1 点醒来吃早餐，以为是阴天太阳升起了。整个欧洲和北美的电报系统都变得无法使用。
当时的新闻媒体寻找能够解释这种现象的研究人员，但在当时，科学家们几乎完全不了解极光显示。它们是来自太空的陨石物质、极地冰山的反射光，还是高海拔的闪电？正是 1859 年的大极光开创了一个新的范例。《大众科学》10 月 15 日刊指出，“现在已经完全确立了北极光与电力和磁力之间的联系。”此后的研究表明，极光显示最终源于太阳上的剧烈事件，这些事件会发射出巨大的等离子云，并短暂地扰乱我们地球的磁场。
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1859 年风暴的影响之所以被减弱，仅仅是因为当时我们的技术文明还处于起步阶段。如果今天再次发生，可能会严重损坏卫星，使无线电通信瘫痪，并导致波及整个大陆的停电，这将需要数周或更长时间才能恢复。尽管如此规模的风暴是 500 年一遇的罕见事件，但强度只有一半的风暴大约每 50 年发生一次。上一次发生在 1960 年 11 月 13 日，导致了全球范围内的地磁扰动和无线电中断。如果我们不做任何准备，根据一些计算，另一次超级风暴的直接和间接成本可能相当于一次大型飓风或地震。
大事件
太阳黑子的数量以及其他太阳磁活动迹象，以 11 年为周期增减。当前的周期始于今年 1 月；在未来五年半的时间里，太阳活动将从目前的平静期逐渐增强。在之前的 11 年里，有 21,000 次耀斑和 13,000 团电离气体或等离子体从太阳表面爆发。这些现象统称为太阳风暴，源于太阳气体的持续翻腾。在某些方面，它们是地球风暴的放大版，重要的区别在于磁场像花边一样覆盖着太阳气体，塑造并激发它们的能量。耀斑类似于雷暴；它们是由太阳标准下相对较小规模（跨越数千公里）的磁场变化引起的能量粒子和强烈 X 射线爆发。所谓的日冕物质抛射 (CME) 类似于飓风；它们是巨大的磁泡，直径达数百万公里，以每小时数百万公里的速度将数十亿吨的等离子云抛向太空。
这些风暴大多数只会导致极地天空中出现极光——相当于地球上的小阵雨。然而，偶尔太阳会释放出狂风。今天在世的人们没有人经历过全面的超级风暴，但它们的一些蛛丝马迹已在一些令人惊讶的地方出现。在格陵兰岛和南极洲的冰芯数据中，马里兰大学的肯尼斯·麦克拉肯发现了被困硝酸盐气体浓度的突然跳跃，近几十年来，这似乎与已知的太阳粒子爆发有关。1859 年发现的硝酸盐异常是过去 500 年来最大的一次，其严重程度大致相当于过去 40 年所有重大事件的总和。
尽管 1859 年的超级风暴非常猛烈，但它似乎与较小的事件在性质上没有区别。我们两人以及许多其他研究人员，已经根据当时的史料以及近几十年温和风暴的放大测量结果重建了当时发生的事情，这些风暴已经由现代卫星进行了研究
1. 风暴聚集。 在太阳上，1859 年超级风暴的先决条件是，在太阳黑子周期的峰值附近出现了一个巨大的、近赤道的太阳黑子群。这些太阳黑子非常大，以至于卡林顿等天文学家可以用肉眼（但要适当保护）看到它们。在风暴释放最初的 CME 时，这个太阳黑子群正对着地球，使我们的星球完全处于靶心之中。然而，太阳的瞄准不一定如此精确。当 CME 到达地球轨道时，它通常已经扇形展开，宽度约为 5000 万公里，比我们的星球宽数千倍。
2. 第一次爆发。 超级风暴释放的不是一次而是两次 CME。第一次可能需要通常的 40 到 60 个小时才能到达。1859 年的磁力计数据显示，喷射等离子体中的磁场可能呈螺旋形。当它第一次撞击地球时，磁场指向北方。在这种方向上，磁场增强了地球自身的磁场，从而最大限度地减少了其影响。CME 确实压缩了地球的磁层——地球磁场支配太阳磁场的近地空间区域——并在地面磁力计站记录为太阳科学家所说的突发风暴开始。否则，它就被忽视了。然而，随着等离子体继续流过地球，它的磁场缓慢地旋转。15 小时后，它与地球磁场相对而不是增强地球磁场，使我们星球指向北方的磁力线和等离子云指向南方的磁力线接触。然后，磁力线重新连接成更简单的形状，释放出大量储存的能量。那时，电报中断和极光显示开始了。在一两天内，等离子体掠过地球，我们星球的地磁场恢复正常。
3. X 射线耀斑。 最大的 CME 通常与一个或多个强烈的耀斑同时发生，1859 年的超级风暴也不例外。卡林顿和其他人在 9 月 1 日观察到的可见耀斑意味着温度接近 5000 万开尔文。因此，它可能不仅发射可见光，还发射 X 射线和伽马射线。这是有史以来记录到的最耀眼的太阳耀斑，表明释放到太阳大气中的能量巨大。辐射在八分半钟的光传播时间后击中地球，远早于第二次 CME。如果存在短波无线电，它们将被电离层（反射无线电波的高海拔电离气体层）中的能量沉积而变得毫无用处。X 射线能量还加热了高层大气，并使其膨胀了数十或数百公里。
4. 第二次爆发。 在环境太阳风等离子体有时间填充第一次 CME 通过形成的空腔之前，太阳又发射了第二次 CME。由于几乎没有物质阻碍它，CME 在 17 小时内到达地球。这一次，CME 磁场在撞击时指向南方，地磁混乱立即发生。它的猛烈程度如此之大，以至于它将地球的磁层（通常延伸约 60,000 公里）压缩到 7,000 公里，甚至可能压缩到平流层上层本身。环绕我们星球的范艾伦辐射带暂时消失，大量质子和电子被倾泻到高层大气中。这些粒子可能是造成世界大部分地区看到强烈红色极光的原因。
世界。
5. 高能质子。 太阳耀斑和强烈的 CME 也将质子加速到 3000 万电子伏特或更高的能量。在北极地区，地球磁场提供的保护最少，这些粒子穿透到 50 公里的高度，并在电离层中沉积了额外的能量。根据沃什伯恩大学的布赖恩·托马斯的说法，1859 年超级风暴的质子雨使平流层臭氧减少了 5%。该层花了四年时间才恢复。能量超过 10 亿电子伏特的最强质子与空气中氮原子和氧原子的原子核发生反应，产生中子并造成硝酸盐丰度异常。中子雨到达地面，这就是现在所谓的地面水平事件，但当时没有人类技术可以探测到这种袭击。幸运的是，它对健康没有危害。
6. 大规模电流。 随着极光从通常的高纬度地区蔓延到低纬度地区，伴随而来的电离层和极光电流在地表感应出强烈的、跨越大陆的电流。这些电流进入了电报电路。多安培、高压放电导致了接近电击事件，据报道烧毁了几个电报站。
烤焦的卫星
当大型地磁风暴再次发生时，最明显的受害者将是卫星。即使在正常条件下，宇宙射线粒子也会侵蚀太阳能电池板，每年使发电量减少约 2%。入射粒子还会干扰卫星电子设备。许多通信卫星，例如 1994 年的 Anik E1 和 E2 以及 1997 年的 Telstar 401，都因此受到损害或丢失。一场大型太阳风暴可能会在几小时内造成一到三年的卫星寿命损失，并产生数百个故障，范围从错误但无害的命令到破坏性的静电放电。
为了了解通信卫星的运行状况，我们模拟了超级风暴可能发生的 1,000 种方式，强度从太空时代最严重的风暴（发生在 1989 年 10 月 20 日）到 1859 年的超级风暴不等。我们发现，风暴不仅会像预期的那样降低太阳能电池板的性能，还会导致转发器收入的重大损失。总成本通常会超过 200 亿美元。我们假设卫星所有者和设计者会通过在卫星发射时保持充足的备用转发器容量和 10% 的功率裕度来减轻影响。在不太乐观的假设下，损失将接近 700 亿美元，这相当于所有通信卫星一年的收入。即使是这个数字也不包括卫星客户的附带经济损失。
幸运的是，地球同步通信卫星对于十年一遇的事件来说非常强大，而且它们的寿命已从 1980 年的不到五年增长到今天的近 17 年。对于太阳能电池板，工程师已从硅切换到砷化镓，以提高发电量并减少质量。此举还提高了对宇宙射线损伤的抵抗力。此外，卫星运营商还会收到美国国家海洋和大气管理局太空天气预报中心的高级风暴预警，这使他们能够在风暴可能来临时避免复杂的卫星机动或其他变化。这些策略无疑会减轻大型风暴的冲击。为了进一步加固卫星，工程师可以加厚屏蔽层，降低太阳能电池板电压以降低失控静电放电的风险，增加额外的备用系统，并使软件更强大以抵抗数据损坏。
很难防范其他超级风暴效应。X 射线能量沉积会导致大气膨胀，从而增强对高度低于 600 公里的轨道上运行的军用和商用成像和通信卫星的阻力。日本的先进宇宙学和天体物理卫星就在 2000 年 7 月 14 日臭名昭著的巴士底日风暴期间经历了这种情况，这场风暴引发了一系列姿态和功率损失，最终导致其在几个月后过早重返大气层。在超级风暴期间，低轨道卫星将在事件发生后数周或数月内面临在大气层中烧毁的巨大风险。
停电
至少我们的卫星经过专门设计，可以在太空天气的变化无常下运行。相比之下，电网在最佳状态下也很脆弱。根据劳伦斯伯克利国家实验室的克里斯蒂娜·哈马奇-拉科马雷和约瑟夫·H·埃托的估计，美国经济每年因局部停电和电压骤降而遭受 800 亿美元的损失。过去十年电力裕度的下降也使得剩余容量减少，无法跟上飙升的需求。
在太阳风暴期间，会出现全新的问题。大型变压器电气接地，因此容易受到地磁感应直流电 (DC) 造成的损坏。直流电沿变压器接地线向上流动，可能导致变压器绕组中的温度升高 200 摄氏度或更高，导致冷却剂汽化并真正烧毁变压器。即使变压器避免了这种命运，感应电流也可能导致其磁芯在交流电周期的一半时间内饱和，从而扭曲 50 或 60 赫兹的波形。部分功率被转移到电气设备无法滤除的频率。变压器不会发出纯净的嗡嗡声，而是开始发出咔哒声和尖叫声。由于磁暴会影响全国各地的变压器，因此这种情况可能会迅速升级为网络范围内的电压调节崩溃。电网的运行非常接近故障边缘，因此不需要太大的力量就可以将它们推过边缘。
根据 Metatech Corporation 的约翰·G·卡彭曼的研究，如果 1921 年 5 月 15 日的磁暴发生在今天，将导致北美一半地区停电。像 1859 年那样更大的风暴可能会摧毁整个电网。其他工业国家也很脆弱，但北美由于靠近北磁极而面临更大的危险。由于变压器的物理损坏，完全恢复和更换损坏的组件可能需要数周甚至数月的时间。卡彭曼在 2003 年向国会作证时说，“为可能超过 1 亿人的人口提供有意义的紧急援助和响应将是一个艰巨的挑战。”
超级风暴还会干扰无线电信号，包括全球定位系统 (GPS) 和相关系统的信号。强烈的太阳耀斑不仅会扰乱定时信号传播的电离层，还会产生 GPS 频率的无线电噪声。结果将是 50 米或更大的位置误差，使 GPS 对于许多军事和民用应用来说毫无用处。2003 年 10 月 29 日的风暴也发生了类似的精度损失，该风暴关闭了广域增强系统，这是一个提高 GPS 位置估计精度的无线电网络。商用飞机不得不求助于飞行备份系统。
高能粒子会干扰飞机无线电通信，尤其是在高纬度地区。联合航空公司经常监测太空天气状况，并曾多次将极地航班改道至较低的高度和纬度，以躲避无线电干扰。超级风暴可能会迫使数百架航班改道，不仅飞越极地，还飞越加拿大和美国北部。这些不利条件可能会持续一周。
准备就绪
具有讽刺意味的是，社会对太阳风暴的日益脆弱与公众意识的降低同时发生。我们最近调查了自 1840 年代以来报纸对太空天气事件的报道，发现大约在 1950 年左右发生了重大变化。在此之前，磁暴、太阳耀斑及其影响经常在报纸头版上获得大量报道。《波士顿环球报》在 1940 年 3 月 24 日刊登了一个两英寸的标题“美国遭受磁暴袭击”。然而，自 1950 年以来，此类报道已被埋没在内页。
即使是相当小的风暴也很昂贵。2004 年，美国天主教大学的凯文·福布斯和美国宇航局戈达德太空飞行中心的奥维尔·克里斯·圣西尔审查了 2000 年 6 月 1 日至 2001 年 12 月 31 日的电力市场，并得出结论，在此期间，太阳风暴使电力批发价格上涨了约 5 亿美元。与此同时，美国国防部估计，政府卫星因太阳干扰造成的损失约为每年 1 亿美元。此外，卫星保险公司在 1996 年至 2005 年间支付了近 20 亿美元，以赔偿商业卫星的损坏和损失，其中一些是由不利的太空天气引发的。
如果我们能够获得更可靠的太阳风暴和地磁风暴预警，我们将受益匪浅。有了充分的预警，卫星运营商可以推迟关键的机动，并注意异常情况，如果不能迅速采取行动，异常情况可能会升级为危急情况。飞行员可以为有条不紊的航班改道计划做好准备。电网运营商可以关注易受影响的网络组件，并制定计划，以最大限度地缩短电网可能停运的时间。
美国宇航局和国家科学基金会等机构在过去 20 年中致力于开发太空天气预报能力。目前，美国国家海洋和大气管理局的太空天气预报中心每天向 1,000 多家企业和政府机构提供太空天气报告。其年度预算为 600 万美元
远低于这些预报所支持的行业产生的近 5000 亿美元的收入。但这种能力依赖于为研究目的而设计的各种卫星，而不是用于高效、长期的太空天气监测。
一些研究人员认为，我们预测太空天气的能力与美国国家海洋和大气管理局在 1950 年代初预测大气天气的能力相当。从监测的角度来看，需要的是廉价、长期的太空浮标，使用简单的现成仪器来监测天气状况。与此同时，科学家们还有很长的路要走，才能了解太阳风暴的物理原理并预测其影响。如果我们真的想保护我们的技术基础设施，我们将不得不加倍投资于预报、建模和基础研究，以便为下一次太阳风暴做好准备。
注意：本文最初印刷时的标题为“为应对太阳超级风暴做好准备”。
