太陽活動對人類有哪些危害？
極端太陽活動長期預報可使我們儘早知道災害的發生年代和災害程度，從而及早有計劃地做好減災準備，以最大限度地減除災害，保護人類文明和財富，保障社會安定。
太陽高能粒子
產生於太陽耀斑和日冕物質拋射（CME）的太陽粒子可通過太陽耀斑、日冕和行星際激波中加速到高能。太陽高能粒子由質子、重離子和電子組成，就輻射而言，質子占統治地位。
當太陽耀斑和CME 朝向地球方向加速太陽粒子時形成太陽粒子風暴，經過地球附近的粒子被地球磁場偏轉，具有足夠動能的粒子可透過地球磁場進入地球大氣。
太陽粒子可與磁場和大氣物質作用，產生一系列地球物理效應如地磁暴、極光和放射性碳等元素及NO自由基的增長。因此通過研究樹木、珊瑚、冰心的放射性元素和NO自由基的變化，以及磁暴和極光，便可獲得太陽粒子事件的發生年代和粒子強度。
利用強太陽粒子事件的歷史資料可以研究太陽高能活動規律和預報未來的強太陽粒子事件及輻射，這是一種新的方法。
公元775年超強太陽粒子事件
最近幾年科學家陸續發現了公元775年前後全球範圍樹木和珊瑚年輪放射性碳等元素的高增長以及長達數小時的強極光。這些事實表明，公元775年發生過萬年以來最強烈的太陽粒子事件。
根據放射性碳的高增長計算出這一事件的太陽高能質子通量是4.5×10^10/cm^2（≥30MeV），而且它的能譜很硬（即粒子強度隨能量的增加緩慢減弱），因此輻射極強。
相比之下，一直以來公認的最強的1859 年卡林頓（Carrington）太陽粒子事件，雖然它的太陽質子通量大約為775 年事件的40%，但是由於沒有測量到放射性元素的高增長，能譜應較軟（即粒子強度隨能量的增加迅速減弱），其輻射遠遠低於775年事件。
模擬計算表明，如果775 年太陽質子能譜與1956 年2 月的太陽質子譜相似，在普通航天器內（屏蔽物質大約為10g/cm^2鋁）質子引起的宇航員造血組織輻射劑量可高達15 西佛特（Sv）, 大約為1859 年太陽質子輻射的十倍（如果1859 年太陽質子能譜與1972 年太陽質子相似）。遠遠超過美國宇航局推薦的終生輻射劑量限值，相應於這一高輻射值的輻射風險，即輻照人員因輻射致癌而死亡的機率幾乎為百分之百。
幸運的是，775 年代人類還沒有航天活動，在地球大氣層的保護下，775 年太陽粒子事件引起的地面輻射風險仍然很小，人類得以倖存。
根據目前積累的資料，在萬年以來的十個最強太陽粒子事件中，就高能質子通量而言，775 年事件排行第一，1859 年事件排行第十。因此，任何與強太陽粒子有關的輻射危害和防護研討，都應當同時參考1859年和775 年超強太陽粒子事件。
強太陽粒子事件的危害
強太陽粒子輻射可引起各種災害，除了宇航員的輻射風險，強太陽粒子事件和太陽風暴可能對地面和空間微電子學器件、光電子學器件、通訊設備等產生嚴重破壞，甚至摧毀圍繞地球運轉的人造天體，包括全球定位系統以及人造通信衛星、載人航天器與空間站。
另外，地球上的遠距離輸電線在太陽風暴中形成的強電流會衝擊毀壞變電站，讓受災地區陷入黑暗，無法供給電力，醫院、超市、銀行、機場、加油站等各種設施無法運作。空間天氣重災地區甚至可能爆發為爭奪生存資源的動亂和戰爭。
1859 年9 月，地球曾遭受到卡林頓事件的太陽風暴正面襲擊，南至夏威夷都可以看到北極光。電報代表當時的高科技，卡林頓事件使美國的電報系統失靈，一些電報員直接遭受電擊。
1989 年10 月發生的一次較大的太陽磁暴事件，導致加拿大魁北克水力電網癱瘓，部分地區斷電長達9小時，600 萬人受到影響。
2003 年10 月的較強太陽風暴使得美國加州中部上空出現了罕見的極光，全球的通訊受到干擾：海事衛星電話系統癱瘓，珠峰探險隊通訊中斷；全球GPS 定位系統的定位系統精度降到50 米以下；穿越高緯度地區的航班不得不啟用緊急備用通訊系統，許多航班改變航線，降低飛行高度，導致航線擁擠不堪；瑞典有5 萬人電力供應中斷；美國航天局的半數衛星出現故障，日本的一顆氣象衛星與地面失去聯絡；國際空間站上的兩名宇航員緊急轉移到輻射防護設施最好的生活艙。
類似775 年和1859 年的極端空間天氣襲擊地球所帶來的經濟損失可達數萬億美元。如果發生在高度發達的北美和歐洲，一次超級太陽風暴就有可能讓美國這樣的高度發達國家瞬間變成發展中國家。
所以，研究超級太陽風暴的機制和空間天氣災害預報對保護人類社會的經濟利益，持續發展和維護社會穩定至關重要。
強太陽粒子事件長期預報新方法
為了應對太陽粒子風暴災害的預報和防治，必須同時具備空間天氣短期預報（幾天以內）和長期預報（一年以上）的能力。
目前，雖然人類在空間災害天氣短期預報方面已經獲得較大的成功和進展，但是短期預報的極限能力大約是3 天，不能解決和替代長期空間天氣預報，因此需要研究長期預報。但長期預報目前在國內外幾乎都是空白。
如果有了長期預報的方法和能力，就能提前幾年甚至幾十年預報強太陽風暴的發生年代和粒子的最可能強度。另一方面，可以利用短期空間天氣預報方法預報強太陽風暴發生的準確時間和風暴強度。因此，長期空間天氣預報和災害防治必然會成為一個新的重要研究領域。
長期預報新方法和傳統方法不同，傳統方法基於太陽黑子數的11年周期和卡靈頓事件預報強太陽粒子事件。這種方法不能很好地預報太陽粒子的發生年代，也不能較準確地給出所預報事件的粒子強度。
新方法是基於歷史大數據的定量分析法。首先利用近萬年的國內外資料建立歷史強太陽粒子事件大資料庫，在此基礎上分析尋找強太陽粒子事件發生的長周期和質子平均強度的數學擬合回歸公式，利用它們即可比較準確地預報未來強太陽粒子事件的發生年代，粒子強度和極端強度的發生概率。
根據對萬年以來強太陽粒子事件歷史大數據的分析，除了11 年太陽黑子主周期，還發現了50±5 年和100±10 年的強太陽粒子事件長周期，如1505~1605 年，1619~1719 年，1859~1960 年約是100 年；1810~1859年，1960 年11 月至2012 年7 月約是50 年。另一方面，如果考慮上一次強太陽活動高峰在2001 年，按11 年主周期，2012 年是可能的強太陽粒子發生年份，兩種方法預言的結果相同。按新預報方法，2060 年左右很可能發生強太陽粒子事件。
另外，用新方法和2003 年之前的強太陽粒子事件數據所得擬合公式計算，2012 年太陽粒子事件質子的最可能強度為（2.0±0.5）×10^9/cm^2（≥ 30 MeV），與觀測結果吻合甚好，最大強度約為10^10/cm^2（≥ 30 MeV），遠小於775 和1859 年超強太陽粒子事件強度，發生概率約為1%。
假如2012 年7 月的強太陽風暴正好對準地球，其太陽質子強度可能接近估計的最大強度。這些在2003年就可得到的研究結果顯示2012 年不會有特大空間天氣災害。與新方法相比，舊的預報方法不能計算未來強太陽粒子事件質子強度，只能參考卡林頓事件或775 年事件，因此容易預報成特大空間天氣災害。
長期空間天氣災害預報意義重大
極端太陽活動的長期預報可以用來指導未來深空載人航天活動（探索月球、火星和其它行星），從輻射角度確保航天員的生命安全以及航天飛船微電子和光電子器件設備的安全。
按目前的技術水平往返一次火星加上火星科學探索，總共需要幾年時間；航天員在空間站往往停留數月甚至超過一年。
只靠短期空間天氣預報不可能為這樣的長時間航天活動提供空間天氣預報和輻射安全保障，長期預報方法可能很有用。按長期預報今後幾十年很可能沒有超強太陽粒子事件，因而是人類深空載人航天活動一個極佳的時間窗口。
極端太陽活動長期預報可使我們儘早知道災害的發生年代和災害程度，從而及早有計劃地做好減災準備，以便最大限度地減除災害，保護人類文明和財富，保障社會安定。
來源：《科學新聞》中國科學院國家空間科學中心
作者：周大庄 （原美國國家航空航天局資深科學家，中科院國家空間科學中心特聘研究員）
責編：姜天海
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