气象日 | 太阳风暴有多厉害？地球必须顶住三轮“暴击”！

科普中央厨房 | 北京科技报

2019-03-23

今天是世界气象日，大火的《流浪地球》重新燃起了人们对太阳、地球、天气的关注。可太阳真实的力量，你又了解多少？

文/记者李荔编辑/刘昭

新媒体编辑/陈炫之

采访专家：

张效信（国家卫星气象中心空间天气室主任）

申彦波（中国气象局风能太阳能资源中心研究员）

张华（中国气象科学研究员灾害天气国家重点实验室研究员）

科幻电影《流浪地球》中讲述了太阳即将毁灭，为了生存，人类必须带着地球逃出太阳系，飞到4.3光年之外的半人马座比邻星生活。这部大火的科幻片重新燃起了人们对于太阳、地球、天气的关注，那么真实的三者之间是什么关系？我们对太阳究竟了解多少？太阳发起“脾气”来会有多大的杀伤力？

今年３月２３日是世界气象日，今年的主题是“太阳地球天气。”在气象日到来之前，本报记者走进了中国气象局国家空间天气检测预警中心，在“直击天气，与科学家聊天”的活动上，三位业内权威专家进行了相关解读，一起来看他们的观点。

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太阳、地球、天气，三者唇齿相依

中国气象科学研究员灾害天气国家重点实验室研究员张华介绍，地球围绕太阳的自转和公转形成了昼夜和四季。太阳几乎可以说是地球唯一的热量来源，地球大气几乎99.99%的热量来源于太阳，所以没有太阳就没有地球生存的环境，也没有气候以及天气过程。太阳给了我们生存需要的热量，也给了我们需要的水分。

▲太空中的金色地球

那它们之间到底是一个什么关系呢？张华说，具体来看，来自太阳的辐射到达大气上界以后，会通过大气的传输到达地球。地球收到了这个能量便会向外发射长波辐射，即通常所说的地球辐射，这两者的平衡决定了大气和地面的温度。由于受太阳高度角和下垫面性质的影响，会造成南北纬向的温度梯度，不同纬度的温差和海陆温差，驱动着全球大气各种尺度的运动，包括大气环流运动、各种中长期天气过程、中小尺度对流过程，像台风和暴雨等恶劣的天气过程，都是由于上述温度结构驱动的热力、动力和水分循环在一定的触发机制下产生的。

中国气象局风能太阳能资源中心研究员申彦波从人类生存的角度解释到，太阳、地球、天气或者是大气，构成了人类赖以生存或者是地球上所有的生命能够生存的三个必要条件。太阳是能量的来源，地球上99.99%的能量来自于太阳；地球是我们脚下所踩的大地；大气层是地球上能够存在生命的基础。

从现实的角度来说，在这三个必要条件中，整个大气层或者是天气的变化更是不可或缺的。我们知道，环绕太阳的还有其他的行星，包括木星、金星、火星、水星、土星等，它们也都有太阳提供充足的能量，但为什么这些星球上没有生命的繁衍，很重要的一个原因就是因为没有大气层的存在。没有大气层，生命就没办法呼吸，没办法繁衍。因此，从这个角度来讲，大气层更为重要。

国家卫星气象中心空间天气室主任张效信从天气角度做了阐述，他说传统的天气基本上包括了从地表以上到30公里高度范围的大气，传统的气象预报也是在这个范围开展相关业务的。地球从地表到以下，是传统天气的下边界，下边界包括地表潜热、焦耳加热、重力波等都会对天气有影响的。而传统天气的上边界就是从太阳到地球空间这个浩大的空间环境，它们一定会对天气有影响。

张效信说，目前，关于地球、太阳、天气，这三者之间，相互作用、相互影响，但又相对独立，能够把这三者结合起来研究，将是一个更好值得探讨的主题。

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太阳风暴对地球的袭击共持续三轮

风霜雨雪，阴晴冷暖，地球上的人们每天都经历和感受着这些天气变化。那么地球大气外面的太空真的只是一片安宁祥和吗？

张效信说，在地球到太阳1.5亿公里的行星际空间里，有许许多多、形形色色鲜为人知的物质，其中大量物质是从太阳发射出来的，它们以其独特的运动方式来到了地球的附近，对人类的航天设施、飞行器、通信设施甚至日常的生产和生活造成影响，因此人们需要像关心地球对流层中日常天气那样，关心对流层以上的整个日地空间的天气状态。

在地球大气层外面的空间同样也存在着一种类似天气的变化，比如那些闪亮的太阳耀斑、神秘的太阳黑子、狂暴的太阳日冕物质抛射、以及浩瀚星空里弥漫的射线和粒子等等，也就是被人们称为太阳风暴的自然现象。太阳风暴是一个形象的比喻，形容太阳上的物质和能量突然释放的过程。

▲2014年10月18日，SDO卫星观测到的超大黑子群。（来源：NASA）

在太阳发出的能量中，除了光和热，还有一种能量叫太阳风。太阳风是太阳喷射出来的带电粒子流，充盈着整个太阳系。地球浸泡在太阳风中，太阳上的爆发活动就可能对地球产生影响。而太阳风暴因其强弱和性质各异，达到地球的时间，造成的影响，也大不相同，太阳风暴对地球的袭击共持续三轮。

太阳对地球的第一轮袭击，是太阳耀斑发射出的电磁辐射，激增的X射线、紫外射线、射电波等电磁辐射以每秒30万公里的速度，八分钟左右就可以到达地球。这些辐射直接进入地球大气，影响地球的通信与定位系统。

太阳的第二轮攻击是高能带电粒子流，这些粒子的速度接近光速，会在太阳爆发以后大约几十分钟到十几小时内到达地球附近的空间。使卫星运行的环境变得恶劣，并导致两极地区通信环境急剧变化，正在极区飞行的飞机将受到超正常剂量的辐射。

第三轮攻击则是日冕上抛射出来的物质，以每秒钟几百到两千公里以上的超音速扑向地球，它们到达地球大约需要花费两天到四天的时间。它们通过行星际空间吹到地球，和地球系统相互作用，给我们在这个空间领域里运行的各种技术系统造成重大损害。

张效信介绍，太阳风暴对人类的影响主要体现在高技术系统上，也就是说越先进的技术系统就越会受影响。作为一个越来越依靠空间技术的社会，空间天气对人类活动的影响越来越明显，并在航天、航空、通信、导航、能源、管网等各种行业和层面上体现出来。

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太阳活动周期是11.5年，现在处于活动低年

任何一个星体的变化都有周期性，太阳活动从剧烈到平静的变化周期大约是11.5年。张效信介绍，太阳黑子和太阳活动密切线性相关，太阳黑子的变化用于表征太阳活动的强弱。所以太阳活动对地球大气和人类活动的影响也有类似的周期性。

天文学家伽利略首次发现了太阳表面上有一个黑斑，这个黑斑就是太阳表面磁场比较强的区域，比周围环境的温度低，因为它看起来有一点暗，发黑，也叫太阳黑子。太阳活动形式中，最快的是电磁辐射，比如太阳耀斑，它到达地球的时间大概是8.26秒左右。

太阳不是固体的，而是一个气态的等离子体，分不同的层，从日核到光球层到色球层到日冕层，等离子体在磁场里束缚着，并不稳定。太阳内部发生裂变能够产生能量，并以各种的形式对我们产生影响。一旦磁场破裂，原本被束缚的带电粒子就以极快的速度喷了出去，速度甚至可以达到3000公里每秒，几个小时就可以到达地球。

另外，太阳风是属于比较慢的一种太阳活动，大概四五百公里每秒的速度，从太阳出发经过三四天到达地球。

现在太阳处于活动低年，经常一个半月、两个月没有一个黑子，在2024年、2025年会走向太阳活动高年，太阳活动进入高发期。从统计来看，太阳活动低年常常伴随着极端天气现象，包括暴雨、强对流等等，它们跟太阳活动是密切相关的。但具体太阳活动与极端天气存在什么样的物理关系、太阳活动跟冰期有没有关系，还需要进一步研究。

▲创作于1677年，描述小冰河期冬日场景的画作。（来源：Wikipedia）

而在太阳活动高年，太阳耀斑、日冕物质抛射等现象有可能同时发生，对人类的影响是多种多样的。不过，并不是每一次太阳风暴都会影响地球，太阳风暴发生在太阳的不同部位，有的直指地球，但更多是指向地球以外别的地方，而且在它吹向地球的过程中，通过与复杂的行星际空间结构的相互作用，也会发生偏转，造成太阳风暴运动方向改变，这种不确定性也是空间天气事件难以预报的原因之一。

▲太阳活动强弱可由太阳黑子数的多少来表示

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飞北美一次相当于做2次胸透

空间天气看起来离我们遥远，但它对导航通信、电网运行、包括人类在内的生物，对国家经济和我们生活方方面面产生着影响。比如铺在地下的石油管道，空间环境扰动影响地磁变化，地磁变化产生了电场，有电场、有导体（大地也有一定的导电性），会把石油管道金属的电子带走，引起石油管道腐蚀。

张效信介绍，在航空方面，大家坐飞机感觉很舒服、很快，但忽略了航空辐射。飞机飞行高度大约在1.2万米时，航空辐射大概是地面的40倍。一次到北美的飞行大概是2次胸透的辐射剂量。在太阳活动强烈情况下，可以达到60倍，这相当于10次胸透的辐射剂量。目前，美国已经在所有的航线都做过相关观测。而且飞机飞行在不同位置的辐射量也不同，这只要是因为机体材料不同。

▲空间碎片和航空辐射

而我们人体消耗不掉的这些辐射，会积累沉淀在身体里，对DNA、对细胞环境、对血液环境产生影响。目前国际民航组织已经把航空辐射作为一个常规的业务内容通报给空乘和飞行员，飞行员可以拒绝飞行，也可以通过跟机场协调改航道。