磁暴-威脅衛星安全的「敵人」

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作者：劉勇

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

最近，一條有關磁暴的新聞進入公眾視野。俄羅斯緊急情況部預測2018年地球至少將遭遇20至35次磁暴，提醒人們做好應對準備。不過，大多數普通人並不知道什麼是磁暴，更別提應對了。

我們首先要知道，地球的磁場是地球空間的「保護罩」，保護著地球上的各種生命。這個「保護罩」 有一定彈性，當來自太陽的高速粒子流吹到地球空間時，它會發生形變，引起地球附近磁場的擾動，這就是我們通常說的磁暴。

磁暴有哪些破壞力？它如何影響我們的生活？

要搞清楚這兩個問題，我們先得談一談衛星。今天的社會，衛星的應用深入到生活的每個環節。電視信號通過衛星傳遞，風雲衛星提供氣象信息，GPS和北斗衛星為我們定位，連購物使用信用卡的信息也能通過衛星傳遞。而和磁暴相伴相隨的高能粒子，卻是衛星設備的 「敵人」。

高能粒子以接近光速運動，它有兩種「手段」破壞衛星 ：一種情況下，高能粒子使衛星內部產生充電，當充電超過一定的電壓，衛星設備會被擊穿而損壞 ；另一種情況下，這些高能粒子闖入晶元內部， 改變存儲單元的狀態，產生錯誤代碼和指令，影響儀器正常工作，嚴重時導致儀器損壞。

1998年5月的美國就被這些高能粒子「秒殺」了上億美元。當時，強磁暴導致通信衛星銀河四號和地面失去聯繫，使得股票交易幾乎完全中斷，股民恐慌情緒瞬間蔓延， 直接經濟損失數以億計。

而磁暴給人們生活帶來的影響大概讓加拿大魁北克人記憶猶新。1989年3月13日，魁北克省大面積停電，900多萬人在料峭春寒的夜晚凍得瑟瑟發抖。更讓人不堪忍受的是，這次停電持續了數月之久。 其罪魁禍首，就是磁暴引起的感應 電場。感應電場在輸電線的兩端加上了一個額外的電壓，多台變壓器因過載而燒毀，製造、安裝新變壓器花費了幾個月。

現在，磁暴以更普遍的方式侵襲我們的生活，比如通信和導航。大磁暴通常會引起地球上空電離層的擾動。電離層是地球大氣50公里以上到1000公里的區域，這是衛星通信和導航信號的必經之路。發生磁暴時，電離層被擾動，成了一塊變幻不定的「毛玻璃」，通信信號的衰減因此變得時大時小，影響衛星通信效果；導航信號通過電離層的時間也因此延長，如果不能準確消除額外增加的時間，定位就會失准。

讓人們難以應對的是，磁暴的預測並不容易。

磁暴的根本原因是來自太陽的擾動，直接原因卻是圍繞地球的環電流增強。環電流由地球上數萬公里高空的高能粒子運動形成，強磁暴發生時，構成環電流的主要成分是來自下方電離層的氧離子。這些離子如何從幾百公里的電離層爬到數萬公里的高空始終是個謎。

由中國科學院國家空間科學中心和北京大學聯合提出的磁層—電離層—熱層耦合小衛星星座計劃，正在探索導致這些離子上行的物理過程。興許在不遠的將來，科學家能更清楚磁暴原理，準確地預報磁暴的發生，更大限度地減少磁暴帶來的危害。

文章發表於《環球人物》雜誌2018年第六期

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