太空時代、高空核爆與太陽風暴

編者按：本周的4月24日是第四個「中國航天日」，今年「中國航天日」的主題是「逐夢航天 合作共贏」。我們與中國科學院國家空間科學中心聯合開設「Calling太空」科普專欄，探索浩瀚空天的奧秘，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。

1957年10月4日，前蘇聯發射了人類首顆衛星Sputnik 1，標誌著人類進入太空時代。從此深刻地改變了人類的政治、軍事、技術和科學進程。同時也表明前蘇聯擁有了向全球發送導彈的能力。

前蘇聯發射的人類首顆衛星Sputnik 1

同月的稍後，一個叫 Nicholas Christofilos 的美國人提出在高層大氣進行核爆，並預期：（1）核爆釋放的能量將增強電離層的電離程度，可以中斷無線電通訊；（2）核爆產生的高能電子將被束縛在地球磁場中，可以攔截和摧毀洲際導彈。有趣的是，這一出於戰爭考慮的提議早於我們對空間天氣的清醒認知。

1958年1月31日，美國發射了其第一顆衛星Explorer 1，這是首顆真正意義上的科學衛星，它發現了地球周圍的輻射帶。作為太空時代早期最主要的科學發現，輻射帶是被地球磁層俘獲的高能粒子，竟與 Nicholas Christofilos 的預想不謀而合。

美國發射的首顆衛星Explorer 1。托舉衛星模型的三個人，中間為科學儀器負責人、空間科學先驅James Van Allen。

隨後，在1958至1962年，美國和前蘇聯進行了一系列的高空核爆。高度從幾十公里到幾百公里，核彈的TNT當量從幾千頓至數百萬噸。其中，1962年7月9日發生在太平洋中部、以「海星」（Starfish）為代號的高空核爆最為著名，核爆的高度為400公里，TNT當量為1.4百萬噸。

美國在太平洋中部的Johnston島進行的一系列高空核爆，代號分別為Orange、Teak、Kingfish、Checkmate、Starfish。

人工生成輻射帶和極光

當時，空間科學先驅、Explorer項目科學家Van Allen及其同事被帶入高空核爆這一機密項目中，目的是測試Christofilos提出的高能粒子效應。Van Allen和他的團隊研製了新的Explorer系列衛星，發現這些「人工」輻射帶竟能持續數年之久！與自然生成的輻射帶相比，1962年「海星」（Starfish）高空核爆產生的外輻射帶比較窄、弱，而內輻射帶強度卻高1000萬倍！

1962年「海星」（Starfish）高空核爆產生的「人工」輻射帶（上）與2015年觀測到的、自然生成的輻射帶（下）的比較。

如此高的粒子強度對穿越其中的衛星無疑具有很大的殺傷力。多顆衛星因1962年的「海星」（Starfish）高空核爆受到不同程度的損害，其中包括Ariel-1、TRAAC、Transit-4B、Tiros 5、OSO-1、Kosmos-5和Telstar-1。Christofilos的猜想得到證實，只不過由原先的防禦式變成了進攻型。

「海星」高空核爆產生的高能粒子也形成了「人工」極光，遠在1500公里外的火奴魯魯可見。與太陽風暴導致的極光相比，持續時間比較短，只有7分鐘。

從火奴魯魯拍攝的、「海星」（Starfish）高空核爆產生的「人工」極光。

電磁脈衝

然而，高空核爆最大的殺傷力卻來自意外發現的電磁脈衝（electromagnetic pulse）現象，已被證明可對現代科技社會造成災難性後果。這是複雜的多脈衝現象，包括三重打擊。

高空核爆產生的電磁脈衝現象，包括三重打擊（E1、E2、E3）。

第一波打擊來自核爆產生的gamma光子。這些高能光子從大氣中「敲出」電子，電子沿著地球磁場螺旋運動，產生的電場與閃電相當（幾萬V/m）。雖然這一電場持續時間只有1微秒，但足以擊穿電子器件。

第二波打擊來自散射的或次級gamma光子，過程與第一波打擊類似，持續時間為10毫秒左右。產生的電場大幅減弱，正常情況下對防護過的電子器件不會有大的影響，但在第一波打擊的基礎上會起到增效作用。

第三波打擊來自核爆後的衝擊波和殘跡，持續時間為幾百秒左右，電場強度進一步降低。但衝擊波和核爆殘骸導致的電離氣體改變地磁場位形，造成類似地磁暴的效果，在地表產生感應電流，對電網形成威脅。

高空核爆產生的電磁脈衝可以打擊大片區域。若核爆發生在俄克拉荷馬400公里上空，將會打擊整個美國大陸。中國的國土面積與美國相當，同樣發生在中部400公里上空的核爆可以覆蓋整個中國大陸。

核爆電磁脈衝的打擊範圍與核爆高度的關係

1962年太平洋中部的「海星」（Starfish）高空核爆對1500公里之外的夏威夷群島造成了衝擊，包括熄滅了火奴魯魯300多街燈和中斷了島嶼之間的微波遠程通訊系統。

太陽風暴與空間天氣

十餘年後，大尺度太陽爆發現象被發現，稱為太陽風暴。隨著空間探測和研究的不斷深入，人們逐漸認識到太陽風暴對空間環境具有巨大影響，它直接催生了一個新興的交叉學科，即空間天氣。太陽風暴引起的空間天氣效應某種程度上與高空核爆類似，具體請參見前文「超級太陽風暴要來了，你準備好了嗎？」，這裡不再贅述。

SDO衛星觀測到的大尺度太陽爆發

3月26日，美國總統川普簽署一項行政命令，要求國土安全部、國防部、能源部、商務部和國家情報主任辦公室等部門聯合防範電磁脈衝的攻擊。這是繼2016年10月責成各大部委聯合應對空間天氣事件後的又一總統令，所不同的是這次把高空核爆和太陽風暴並列為現代文明的兩大威脅。

現代文明的特徵是高度依賴電力和電子設備。電力缺失和電子設備癱瘓將直接影響醫療、交通、通訊、金融、水和食物供應等基礎設施和國防系統。這些損害並非是單方面的，更重要的是各方面之間的相互依賴將造成難以估量的雪崩效應。

相對於太陽風暴引起的空間天氣，高空核爆產生的效應可稱為「人為空間天氣」（Anthropogenic space weather）。二者都可對現代文明造成災難性後果。在現今社會，任何高空核爆行為都將被視為冒天下之大不韙，並會遭受核彈報復，所以高空核爆襲擊的可能性很低。而太陽風暴則是必將發生、且不可避免的自然災害。

當我們回看這一段歷史，發現高空核爆與人類進入太空時代幾近同步，或者說太空時代是高空核爆的誘因。更加有趣的是，高空核爆作為太空時代早期主要的活動之一，為當時人類懵懂認知、現在所謂的空間天氣提供了輔證。它從側面警醒我們，現在必須正視太陽風暴對科技社會的危害和戰略應對的緊迫性。

來源：中國科學院國家空間科學中心

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