13年前的万圣节太阳风暴是怎么回事？

                                                      杨学祥

关键提示

       2003年万圣节耀斑事件的强度有多强？刚才说到，X级是X射线耀斑最强的等级，通常在一个11年周期的太阳活动周中，X级耀斑大概出现200次左右，X10级及以上级别耀斑大概出现10次左右。而根据美国宇航局（NASA）与美国国家海洋和大气局（NOAA）空间环境中心的记录，2003年10月26日到11月4日出现的连续的太阳耀斑爆发当中，出现的X28级耀斑是GOES卫星观测以来的最大耀斑，峰值甚至可以冲到X45级。在之后的两周内，还发生了9次高强度级别的耀斑事件。

       太阳的高能辐射和高能粒子不仅会直接对地球磁层等地球周围的环境产生影响，从地球极区附近大幅沉降，还会有多种效应，比如压缩地球磁层顶部和辐射带等区域，改变航天器飞行的环境，从磁尾传输粒子和能量到地球空间，引起地球磁场强烈扰动，等等。

      最引人瞩目的是，万圣节太阳风暴发生后。非典疫情神秘的消失了。2020-2023年新冠疫情也是在2023年1月太阳风暴发生后进入低谷，截至2024年8月8日，最强太阳风暴为X8.7级。

       最近的新冠疫情反弹表明，更高级别的太阳风暴发生才能消灭新冠病毒。  

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     太阳爆发X8.7级耀斑 系十余年来最大

封面新闻2024-05-15 11:40

中国科学院空间环境研究预报中心发布太阳耀斑活动信息，北京时间2024年5月15日，太阳爆发第25太阳活动周最强耀斑，为X8.7级。

已转出可视日面的活动区13664于北京时间15日再次爆发了3个X级大耀斑，达到橙色警报级别。其中，最大级别为X8.7级，为第25太阳活动周以来最大级别耀斑。由于此次爆发时间处于我国夜间，因此对我国区域电离层影响不大。

X8.7级耀斑 系十余年最大

目前看来，今年进入第25个活动周期以来的太阳，比上一个周期表现亮眼。从1月开始，不断爆发出多个X级别以上耀斑。1月1日爆发的X5.0级耀斑、2月22日爆发的X6.3级耀斑，5月6日爆发的X4.5级耀斑，5月11日爆发X5.8级耀斑，但是都被5月15日爆发的X8.7级耀斑碾压。

5月太阳表现抢眼。首先5月以来，太阳活动出现了两大活动区域，13663、13664，这两个区域一前一后，连续爆发数个X级别耀斑。5月3日到8日，太阳有5次X级耀斑均为活动区13663产生，且没有伴随明显的日冕物质抛射。但是5月8号以后，13664后来居上，一周不到共产生11次X级耀斑，且伴随有多个全晕日冕物质抛射，也给我们带来了极致的极光盛宴。

2024年5月8日-14日13664爆发11个X级大耀斑（GOES卫星，世界时）

耀斑有何影响？

太阳X射线耀斑分成五级——A、B、C、M、X，所释放能量依次增大10倍，X级耀斑则为大耀斑，X级耀斑能释放出相当于几十亿颗巨型氢弹同时爆炸释放的能量，X1、2…9逐级能量增大十倍，以X8.7级耀斑为例，能量是X5的近万倍。

2003年（第23太阳周峰年）爆发了一次X40+级耀斑，造成全球范围短波通讯中断，超视距雷达、民航通讯中断等现象，25颗卫星需要地面操作干预、许多卫星及数据丢失、伊拉克战场美英联军通讯受到影响……

太阳耀斑爆发可能扰动地球的磁场和大气层；要是X级别大耀斑，释放出的大量高能粒子流、造成的电磁辐射、产生的地磁暴，就有可能造成卫星、空间站的损坏，干扰无线电通信以及破坏电网等。

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13年前的万圣节太阳风暴是怎么回事？丨原创

原创 王铮 中国科学院之声 2016年11月02日 09:17 北京

最近我们又踏入了一个西方节日——万圣节（All Hallows’ Day）。万圣节又叫诸圣节（All Saints' Day），在每年的11月1日，而10月31日夜晚——万圣节前夜是这个节日最热闹的部分，常被我们误以为这天叫万圣节。不过，对于大部分中国人来说，这并不能算一个节日，也没有什么活动（因为并没有放假嘛～）。当然一些娱乐场所和餐馆准备了一些主题活动，像是北京欢乐谷、海洋馆等等，喜欢新鲜事物的朋友和孩子们可以前往体验异国节日气氛和文化。万圣节像我们古代的中元节一样，可称为西方的“鬼节”。在万圣节前夜，小孩子会装扮成各种鬼怪挨家挨户敲门，喊着唱着“trick or treat”（“给我糖果，不给就捣乱”），大人们也很配合地送上糖果（嗯，理想状态。所以不给糖果真的捣乱也毫不奇怪）。在中国基本不可能有这种活动，公园和餐馆等主要是展出鬼怪类的节日主题，甚至进行化妆聚会。

万圣节活动

不过，今天这里要谈论的，不是万圣节的文化和活动，而是一次在航空航天和空间科学历史上颇为著名的灾难性事件，它发生在13年前的万圣节前后（并非正好那一天），命名为万圣节太阳风暴（Halloween solar storms，2003）。这次事件使人们认识到，随着科技的进步，太阳活动和空间天气对人类活动的影响越来越大，如果不加以重视和防范，未来可能产生非常巨大的损失。电影《2012》所描述的天地剧变、世界末日，其实其灵感很大一部分就来源于科学家对太阳活动影响的担忧。一份美国国家科学院的报告曾指出，以最坏的情况来假定，假如本太阳周的太阳活动高年（当时指的就是2012年前后）出现类似1859年记录的长时间并且强力的太阳风暴，会对人类活动产生很大的影响（不过，科学报告的灾害预警，和电影杜撰的世界末日，还是要区分开的）。

电影2012的灾难

和地球上大多数的空间天气事件一样，这次事件起源于太阳。2003年10月26日到11月4日太阳上爆发了一系列强烈耀斑。除了耀斑，还有很强的日冕物质抛射（CME）现象发生，而恰巧这个日冕物质抛射事件是冲着我们地球的方向来的。

什么是耀斑？

它通常指的是发生在太阳色球层的局部区域的一种最剧烈的爆发现象。

我们平时肉眼看到的白色太阳光来自太阳大气最低的一层，称为光球层，我们常说的太阳黑子，就是光球层上局部的黑色区域，因为温度比周围低，显示为黑色，其实黑子被认为是磁场非常强和复杂的区域，显示着太阳活动强烈的位置。在光球层上方的一层大气温度更高（温度几千度到几万度），辐射中最突出的是氢离子的Hα射线（波长656纳米，谱线颜色为橙红色），在Hα射线成像的图中显示为红色球，所以这一层叫做色球层。不过最早是日全食观测者发现的，于1869年由洛基尔和弗兰克兰首先命名。在日全食的时候，太阳圆面被挡住，边缘体现出红色的辉光，这就是色球层。

Hα射线成像显示的色球层，Plages指谱斑，Filaments指针状物

1859年9月1日的上午，英国天文爱好者卡林顿在对太阳黑子进行常规观测时，赫然发现日面北侧一个大的复杂黑子群附近突然出现了两道极其明亮的白光，其亮度迅速增加，远远超过光球背景，明亮的白光仅维持了几分钟就很快消失了。同在这一天，英国天文学家霍奇森也看到了这次太阳上的突发现象。这是耀斑的第一次记录，同时也是白光耀斑的第一次记录。

虽然耀斑是很强烈的能量放射活动，但来自太阳光球层的背景光辐射太强了，基本不能用肉眼看到耀斑。对太阳光一定光谱进行单色成像可以避免这一问题，太阳耀斑的早先定义就是指Hα单色光看到的太阳色球谱斑中的突然增亮现象，所以也称为色球爆发。通常，太阳色球层大块的增量的区域叫谱斑，属于活动区，谱斑中有时会出现局部小区域的突然增亮，在几分钟内由原有的谱斑亮度迅速增亮几倍甚至几十倍，然后在几十分钟至1-2小时内缓慢恢复至原有的谱斑亮度。

耀斑（日面右侧）

随着观测技术的不断发展，我们对耀斑的了解也越来越多。耀斑发生在太阳大气的局部区域，在短时间内释放大量能量，引起局部区域瞬时加热，向外发射各种电磁辐射和能量很高的粒子。从波长短于1埃的γ射线和X射线，直到波长达几公里的射电波段，几乎全波段的电磁辐射都有增强的现象，而发射的各种粒子流的能量可以从10³电子伏特直到10⁹电子伏特（粒子能量单位，大气分子一般能量是10^-2电子伏特，而核爆炸中粒子能量约10⁵-10⁶电子伏特，可以说耀斑发射的粒子能量在日地空间区域中是非常强的）。根据观测手段的不同，耀斑经常被分为光学耀斑、X射线耀斑、质子耀斑、白光耀斑等。1859年卡林顿和霍奇森等看到的就是白光耀斑，它在白光范围内也有突然增亮。

这些耀斑强度的分级也不同。光学耀斑分级根据Hα单色光面积大小分为5级，分别以S、1、2、3、4表示，在级别后加F、N、B分别表示该光学耀斑在Hα线中极大亮度是弱的、普通的、还是强的，所以最大最亮的耀斑是4B，最小最暗的是SF。而X射线耀斑分级是根据X射线辐射强度，按照美国GOES卫星观测的软X射线峰值流量的量级将耀斑分成5级，分别为A、B、C、M和X，所释放能量依次增大，等级后面的数值表示X射线峰值流量的具体数值，如M2级表示耀斑软X射线峰值流量为2×10^-2瓦/平方米。

出现很强的耀斑，并不只是耀斑本身发射的辐射和粒子有很强影响，也往往预示着有很强的太阳活动。

什么是日冕物质抛射（CME）？

日冕在太阳光球层和色球层之上，是太阳大气的最外层，厚度有几百万公里以上，温度有上百万度，粒子数密度为10¹⁵m^-3，充满了高温电离的质子、氦原子核和自由电子等。日冕的形状与太阳活动有关，在太阳活动极大年接近圆形，而在太阳宁静年则比较扁，赤道区较为延伸。日冕直径大致等于太阳视圆面直径的1.5～3倍以上。

日冕

日冕物质抛射（CME）是从太阳的日冕层抛射出来的物质，通常可以使用日冕仪在白光下观察到。日冕仪利用的是日食的原理，设置投影直径等于太阳光球像那样大小的挡盘（水冷却），将来自光球部分的太阳光反射出镜筒，而对外围的光线用透镜聚焦在照相底片上得出日冕的像。抛射出来的物质主要是电子和质子组成的等离子体（此外还有少量的重元素，例如氦、氧和铁），加上伴随着的日冕磁场（有关于等离子体的物理原理，解释了磁场会跟随等离子体运动）。

CME

其实日冕不断的有物质向宇宙中扩散，被称为太阳风。然而，日冕物质抛射是太阳系内规模最大、程度最剧烈的能量释放过程，会把比地球体积还大、和大山一样重的大量高能粒子喷发到宇宙空间中，并且其中携带着太阳磁场。依据SOHO卫星的LASCO仪器在1996年至2003年的测量结果，日冕物质抛射的速度范围约为20-2700 km/s，平均速度是489 km/s。以日冕仪影像为基础的数据估算日冕物质抛射的平均质量为1.6×10¹⁵克（百米高的小山包，质量约为10¹³克，但CME本身是非常非常稀疏的等离子体）。这样的物质在几分钟至几小时内以很高的速度喷发到宇宙空间中，打乱了太阳风的流动，除了本身的物质，还会产生巨大的激波，一旦向着地球而来，往往会产生很多影响。

万圣节太阳风暴期间的强烈耀斑和CME

2003年万圣节耀斑事件的强度有多强？刚才说到，X级是X射线耀斑最强的等级，通常在一个11年周期的太阳活动周中，X级耀斑大概出现200次左右，X10级及以上级别耀斑大概出现10次左右。而根据美国宇航局（NASA）与美国国家海洋和大气局（NOAA）空间环境中心的记录，2003年10月26日到11月4日出现的连续的太阳耀斑爆发当中，出现的X28级耀斑是GOES卫星观测以来的最大耀斑，峰值甚至可以冲到X45级。在之后的两周内，还发生了9次高强度级别的耀斑事件。

整个事件开始于10月26日。SOHO卫星观测到被标记为10486号太阳活动区的黑子区域增大到了地球的10倍以上，已经可以在地球上用肉眼看到。两天后的10月28日，随着太阳和地球的相对运动，这个区域几乎正对着地球，如图太阳光球层成像中左下角的区域。

10月28日太阳光球层上巨大的黑子区域（中下偏左）

而就在10月28日，从色球层成像来看，该区域爆发了很强的X17级耀斑，其能量相当于500亿颗原子弹爆炸。在下图太阳色球层成像中，可以看到非常明亮的巨大耀斑。这张绿色的图像是对太阳极紫外辐射的成像，变亮说明这个波段的辐射大大增强。

10月28日太阳色球层上X17级耀斑（中下偏左）

此时，对应太阳活动区所释放的日冕物质抛射CME向着地球而来！经过SOHO卫星（日地连线上，距离地球150万公里）的CME速度高达2300公里每秒。如下图所示，太阳爆发了巨大的CME，中心的白色圆示意的是太阳的大小，而CME的体积可以与太阳相比，更是远远大于地球。由于粒子能量和数量非常大，超过了SOHO卫星的成像CCD相机的探测能力，在相机上引起了白色的斑点和线条，随后这些斑点远比右下图的样子还要强烈，使得视野内完全是一片雪花。如此庞大而高速的粒子云，对于SOHO卫星来说实在是太强烈了，它被迫进入了安全模式。

10月28日太阳爆发的CME，右边蓝色图是一个更广的视野，并出现了白色斑点和线条

10月29日，一次X10级耀斑更加正对地球的方向。这一天，太阳质子事件的峰值流量达到最大，是GOES卫星自1976年观测以来的第4大的极值，而这一天地球磁场的地磁活动Ap指数达到204，也是非常大的一个值。11月4日，整个事件当中、乃至历史上最大的X28级耀斑就发生在这一天，好在它位于太阳的边缘，如下图所示。

11月4日太阳色球层上X28级耀斑（右边缘）

一连数天，由于连续的太阳耀斑和CME，爆发的高能辐射和高能粒子向地球倾泻而来，可以想见，地球环境注定无法平静。

全球范围的影响

来自太阳的高能辐射和高能粒子不仅会直接对地球磁层等地球周围的环境产生影响，从地球极区附近大幅沉降，还会有多种效应，比如压缩地球磁层顶部和辐射带等区域，改变航天器飞行的环境，从磁尾传输粒子和能量到地球空间，引起地球磁场强烈扰动，等等。限于篇幅，这里没法做很详细的说明，只是讲述一些严重的后果：

欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到不同程度损害，多颗卫星一段时间内进入安全模式；76颗通讯卫星有46颗报告了异常；日本“回声”卫星失控；Kodama卫星进入安全模式直到11月7日才恢复正常工作；Chandra卫星以及SIRTF卫星观测中断；Polar卫星TIDE仪器自动重启，高压电源被损坏，24小时后才恢复正常；NASA的火星探测卫星Odyssey飞船上的MARIE观测设备被粒子辐射彻底毁坏，这是首次发现地球以外空间设施因为空间灾害天气而报废。

国际空间站被迫关闭了机械臂和飞船工作站，工作人员临时中止一切任务，并多次进入防护舱中躲避。

极光是太阳粒子沉降在地球大气中发出的光，由于地球磁场保护着我们，通常在地球的南北极才能出现大规模的粒子沉降，引起极光，所以才叫“极光”。即使是我国北端的漠河，极光也极少出现。然而，由于这次万圣节风暴，在美国的德克萨斯州和佛罗里达州（约北纬25-30度区域）都可以看到极光。下图是10月29日美国德克萨斯州休斯敦附近空中出现的极光。

10月29日美国德克萨斯州休斯敦附近空中出现极光

全球范围的通讯收到了干扰，例如海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断。GPS定位精度大幅下降。美国国防部承认，因为通讯困难，他们取消了一次海事任务。

越过极区附近的飞机航线大量中断和延误。为了避免飞机乘客和机组人员受到辐射的伤害，其他飞机被指示在更低的高度飞行（美国的要求是3万5千英尺下降到2万5千英尺，也就是从1万米下降到约7600米），来受到更厚的大气层的保护，但相对的要额外消耗总计上百万美元的飞机燃料。航空的地理和地磁探测任务都被取消，因为仪器根本无法进行探测。阿拉斯加的石油和天然气开采也被迫中断。

由于高空电磁场扰动对地面输电线路的影响，瑞典5万人的电力供应中断。为了避免类似的危机，美国新泽西的两处核电站被迫降低了功率。

可以说，太阳风暴引起的灾害性空间天气事件是对全球通讯、定位、电力等系统的严重考验，由于我们的生活越来越依赖于电力和卫星，其影响也会越来越大，人类需要对齐有足够的重视。

作者系中国科学院国家空间科学中心助理研究员

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最具破坏性六大太阳风暴 或将毁灭地球? 2016-05-02 11:40 最具破坏性六大太阳风暴，或将毁灭地球？说起太阳风暴很多人都会嗤之以鼻，觉得这是离自己很遥远东西，殊不知上个月太阳风暴还与人类擦肩而过，从地球的周围飞过，今天我们就来看看史上最具破坏性的六大太阳风暴事件吧。1.1859年：卡灵顿事件发生于1859年的卡灵顿事件是首次有记录的太阳耀斑高能辐射袭击地球的事件。该事件发生在1859年9月1日上午11:18。当时，太阳天文学家理查德卡林顿(Richard Carrington)通过私人天文望远镜目击了这起耀斑爆发事件，并且勾勒出当时太阳上分布的黑子情况。美国国家航空航天局的科学家认为，这是在过去500年内最强太阳耀斑爆发事件。 根据美国国家海洋和大气管理局的档案记录，卡灵顿事件在当时造成了重大地球高层大气的极光现象，而我们所以，极光一般发生在南北极地区，那当时在大西洋西部的加勒比地区都可以看到天空中出现极光，且在同一纬度附近的夏威夷地区也看到了极光现象。同时，也造成了全球电报通讯的严重中断，甚至令人惊讶的是，根据一些电报员回忆，当时电报机在闪着火花，有的电线都被熔化了。2.2006年：圣诞节之前来自太阳耀斑的高强度X射线2006年12月5日，一个X级的强烈太阳耀斑在太阳表面上爆发，根据美国国家海洋和大气局空间环境中心记录的数据显示为X9级。达到X级的太阳耀斑算是强度很高的了，而这基础上还得上升到X9的级别，可以说是非常强的。本次太阳耀斑爆发事件得到了美国宇航局GOES-13探测器的观测，该探测器上携带的X射线成像仪相机记录了太阳表面的一举一动。 美国宇航局统计，高能粒子流“入侵”地球磁场和高层大气时，全球定位系统的信号在约10分钟的时间里不能正常导航。根据美国宇航局STEREO探测器空间粒子计数器显示，来自太阳的高能粒子流主要以氢原子为主。 [责任编辑:赵清建]3.1972年：太阳耀斑与美国电话电报公司之战在1972年的8月4日，太阳出现了一次强烈的太阳耀斑爆发，根据美国国家航空航天局记录，当时的强烈太阳耀斑中断了美国伊利诺斯州所有的长途电话网络，造成该州与外界联系大面积切断，而且其他各州也存在不同程度的通讯切断情况，而伊利诺斯州的情况是最为严重的。 而这次事件，不仅导致全美大规模电话电报业务的切断，也直接导致了美国电话电报公司(AT&T)重新设计了美国连接欧洲的跨大西洋通讯电缆系统。4.2003年：超强的万圣节太阳耀斑事件2003年10月28日，太阳释放出一次巨大且连续性的强烈耀斑。强烈的太阳耀斑使得处于地球轨道上的卫星和一些探测器的传感器都不堪重负。在美国加利福利亚州上空也出现了极光现象，除了全球卫星通讯收到干扰之外，全球定位系统也受到影响，定位精度出现了偏差，这也使得航班等需要即使通讯和定位的交通系统遭到不同程度的瘫痪。 根据美国宇航局与美国国家海洋和大气局空间环境中心的记录，这场强烈太阳风暴级别达到了X28级，峰值可以冲到X45级，这是史上有记录以来最强的太阳耀斑。而且，这不是一起孤立的耀斑爆发，而是作为一连串超级耀斑爆发的一部分，在之后的两周内，还发生了9次高强度级别的耀斑事件。 [责任编辑:赵清建]5.2000年：法国国庆日事件巴士底日，又称为法国国庆日，本次太阳耀斑的爆发恰逢法国国庆日。2000年7月14日，太阳出现了一次惊人的带电粒子流的喷发，这场风暴的规模被列为X5级。而太阳耀斑按强度可分为三类，C级、M级和X级，处于X级的太阳耀斑算是最强的，对近地空间电磁环境构成巨大影响，并且能引发高层大气的极光现象。 从那次强烈的耀斑爆发之后，太阳表面的黑子数出现下降，而在此之前，太阳活动正处于极大期。法国国庆日太阳耀斑事件造成了一些卫星出现故障、暂时瘫痪，并导致部分的无线电中断。本次太阳耀斑也是观测记录以来级别较高的事件之一，也是自1989年以来最强的太阳耀斑。且位于德克萨斯州的美国南部也看到了极光现象。6.1989年：太阳日冕物质抛射造成的大面积停电事件在1989年3月，一场强大的太阳日冕物质抛射造成当月13日加拿大9个小时的大面积停电，受影响的人群数量接近600万人。造成的损失超过了10亿美元。而在加拿大靠近北极的地区引发了壮观的极光现象，而这场极光在美国的德克萨斯州也能看到。不仅对地球短波通讯造成严重干扰，也北美地区和欧洲部分地区的电力系统造成影响。 根据美国宇航局科学家介绍：当年的太阳耀斑造成了加拿大魁北克省水电发电站电力网短路，同时也使得其他电力设施的大面积受损，严重干扰了电力的传输，甚至熔化了美国新泽西州的一些电力变压器。这是因为闯入地球磁场的等离子体使得地球磁场出现变化，而变化的磁场会产生电流，地面上的电网系统无法抵御这样变化的电流，特别是变压器，电流强大到超过临界值足以烧毁变压器。而这场太阳耀斑的爆发被认为是与卡林顿事件中的耀斑级别同等规模。 [责任编辑:赵清建]

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