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Mar. 28 2019

太陽風暴有多危險,竟和你家蓋在什麼岩石上有關?

  • 這張影像是由美國航太總署(NASA)太陽動力學天文台(Solar Dynamics Observatory,簡稱SDO)在2017年9月所拍攝的太陽紫外線影像,可以在日面的右下角看到強烈太陽閃焰所形成的X形爆發。PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

    這張影像是由美國航太總署(NASA)太陽動力學天文台(Solar Dynamics Observatory,簡稱SDO)在2017年9月所拍攝的太陽紫外線影像,可以在日面的右下角看到強烈太陽閃焰所形成的X形爆發。PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

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美國地質調查所(U.S. Geological Survey,簡稱USGS)的最新研究顯示,在強烈太陽風暴期間,每個城市會因為各地的區域地質情況,而有不同的停電風險。

這張影像是由美國航太總署(NASA)太陽動力學天文台(Solar Dynamics Observatory,簡稱SDO)在2017年9月所拍攝的太陽紫外線影像,可以在日面的右下角看到強烈太陽閃焰所形成的X形爆發。PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

這張影像是由美國航太總署(NASA)太陽動力學天文台(Solar Dynamics Observatory,簡稱SDO)在2017年9月所拍攝的太陽紫外線影像,可以在日面的右下角看到強烈太陽閃焰所形成的X形爆發。PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

我們的太陽是顆騷動不安的恆星。當太陽特別活躍時,會噴發出大量帶有磁能和帶電粒子的太陽閃焰。如果正對地球而來的閃焰不太強烈,這些來自太陽的物質會在撞擊地球大氣時,帶來無害而又壯麗的極光。

然而,如果太陽爆發更為強大,那就有可能會產生磁暴,嚴重破壞地球的磁泡,並且可能會對地球的電力基礎設施造成嚴重損壞。

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而根據一項最新的研究顯示,你所居住的城市是否能夠平安度過強烈的磁暴,可能取決於地表下方的岩石類型。

美國地質調查所在最近的一項研究中,分析了美國東北部的不同岩石如何與磁暴相互作用。研究結果顯示,電網可能損壞的程度會因為每個地區的岩石類型,而有顯著的加強或減弱。例如,生活在新英格蘭高地(New England Highlands)的民眾在磁暴期間,遭受重大損害的風險更高,而中大西洋沿岸平原(Mid-Atlantic Coastal Plain)的風險則要低得多。

關於地質對太陽風暴造成的破壞的重要影響,科學家已經知道了一段時間。但洛夫(Love)在去年12月發表於期刊《太空天氣》(Space Weather)上的論文,更進一步地研究美國東北部某一特定區域,將地質差異對太陽風暴損害的影響精確量化。雖然這項研究只針對了某個國家的某一特定地區進行研究,但它的影響卻是全球性的。

目前,我們仍缺乏區域地磁風險的詳細資料,對太陽風暴發生的頻率、強度以及對目前科技所帶來的影響,也不太清楚。牛津大學(University of Oxford)環境變遷研究所(Environmental Change Institute)的高級研究助理愛德華.歐捷頓(Edward Oughton)表示,這也意味對太空天氣的風險評估,比颶風和地震等災害的威脅分析還要落後數十年,這使得減災計畫變得「極具挑戰性」。而製作更詳細的地電(geoelectric)風險區域地圖,將有助於提供更全面的資訊,目前澳洲和中國已經開始採取行動,以實現此一目標。

「以宏觀的角度來看,進行這樣的調查、收集地磁數據並沒有非常昂貴,」美國地質調查所地磁計畫(Geomagnetism Program)的負責人──地球物理學家傑佛瑞.洛夫(Jeffrey Love)說:「但得要有計畫地主動開始才行。」

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磁暴危害大

我們可千萬不能對強烈的太陽風暴掉以輕心。當太陽向地球噴發強烈的閃焰時,所攜帶的電磁能量會以光速向地球襲來,激發高層大氣中的粒子,導致無線電訊號中斷。如果閃焰非常強烈,航空公司和衛星導航網路所使用的無線電通訊甚至會故障或完全無法運作。

接著在大約30分鐘後,大量的電子和質子會以接近光速的速度抵達,破壞衛星上的電子電路,而置身地球磁泡(magnetic bubble)外的太空人,接受到的輻射劑量更有可能危及性命。


↑↑↑↑↑美國航太總署太陽動力學天文台在2017年9月所拍攝到的強烈太陽閃焰爆發。PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO


↑↑↑↑↑美國航太總署太陽動力學天文台在2017年9月所拍攝到的強烈太陽閃焰爆發。PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

接下來,在爆發事件開始之後的18個小時到數天之間,會有稱為「日冕巨量噴發」(coronal mass ejection)的巨大電漿,以接近每秒3100公里的速度撞擊地球磁泡。這樣的過程會嚴重干擾地球磁場,產生所謂的磁暴。

如果磁暴非常嚴重,會使得電網中的長導電結構產生強烈的感應電流,造成嚴重或甚至是永久性的損壞,還可能引發大範圍的停電。像是在1989年發生的一場磁暴,曾導致加拿大魁北克(Quebec)的大停電。在越戰期間,極端的太空天氣可能還曾經導致越南近海的水雷爆炸。

1859年的「卡林頓事件」(Carrington Event),是有紀錄以來最強大的磁暴之一,當時造成電報系統中斷、電報發報員遭到電擊。這場磁暴所引發的極光,往南遠到夏威夷都能看到,極光的亮度甚至讓人能夠在夜間的戶外閱讀報紙。如果類似的事件在今日發生,我們日益電氣化的基礎設施很可能會遭受大規模的破壞,造成難以估計的損失。

太陽風暴超載

在比較小的地域範圍內,地表下方的地質組成可能會對磁暴的造成的潛在威脅產生巨大影響。英國地質調查局(British Geological Survey)的地球物理學家夏蘭.貝根(Ciaran Beggan)表示,沉積岩通常有含水的孔隙空間,因此具有導電性。變質岩和火成岩的密度較高,孔隙更少,因此電阻較大。

但是在磁暴期間,異常的磁場活動會在地球表面產生感應電流,這對建造在變質岩或火成岩之上的城市來說,可能是個大麻煩。雖然電流無法輕易地穿過這些岩石,但洛夫表示,「如果短路發生在電網所在的絕緣地面區域,那麼電流就會直接穿過電網,造成損害。」

歐洲太空總署(European Space Agency)太空態勢感知計畫(Space Situational Awareness Programme)的太空天氣負責人尤哈-佩卡.倫塔瑪(Juha-Pekka Luntama)說道,這表示當下一次的大型磁暴來襲時,「歐洲某地區的電網可能完全沒問題,但同一事件卻會對僅數百公里外的電網造成嚴重的影響。」

這種效應放諸四海皆準。貝根表示,像是蘇格蘭北部有許多的電阻性岩石,這表示當地的電網可能受到強力的大地電場(geoelectric fields)帶來危害的風險更高。相反地,在英格蘭南部則大都是低風險的沉積岩。

沿海地區的問題又更複雜了,海岸線有高電阻的沙和導電的海水。貝根說,這會產生「通道效應」,電流會沿著海岸線增強。對沿著海岸線建造的電網來說,可是個壞消息。

洛夫團隊的最新研究工作,取得了天文臺所偵測到的磁暴紀錄,然後結合局部磁場與相關電場的最新調查。這樣一來,他們可以計算過去曾伴隨磁暴產生的大量電流,用以模擬未來類似強度的事件。

研究團隊發現,不同地區的損害風險差異很大,有些電阻性岩石能將該區域的地電危險提高100倍。阿帕拉契山脈(Appalachian Mountains)含有大量的火成岩和變質岩,這代表坐落在山頂上的電網在下一次太陽風暴時,會遭受巨大的損害。

洛夫表示,電網的方向影響也很大。與阿巴拉契亞山脈方向垂直的電網,會比平行的電網帶來更大的損害風險。

緊盯太陽

此外,我們還得了解強大的磁暴有多常發生。不幸的是,現代儀器是從約70年前才開始追蹤磁暴,這表示我們對磁暴的紀錄其實並不完整。

這就是為什麼有些科學家一直試圖挖掘古老資料的原因。在3月初出刊的《美國國家科學院院刊》(PNAS)中,由隆德大學(Lund University)的萊蒙德.穆斯切勒(Raimund Muscheler)所領導的研究團隊,檢視了樹木年輪和冰芯中的化學指紋,他們發現在公元前660年左右,曾有太陽風暴襲擊地球的證據。這場風暴的強度,比1956年發生的強烈太陽風暴還要強上10倍。

然而,這些數據非常不易判讀。因此,想要發現深藏其中的真正太陽風暴證據,是項十分棘手的任務,穆斯切勒說:「我認為目前我們遺失了介於非常強烈太陽風暴[像是發生在公元前660年的那次]和1956年太陽風暴規模之間的所有事件。」


↑↑↑↑↑美國航太總署太陽動力學天文台在2017年9月所拍攝到的兩次太陽閃焰爆發。PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

同時,也有許多研究團隊致力於研究未來的太陽風暴何時會發生,以減輕可能的危害,歐洲太空總署也是其中之一。

如果歐洲太空總署的拉格朗日(Lagrange)任務在11月下旬獲得資金支持,這顆衛星將在太陽附近停泊,留意任何即將發生的太陽爆發,並警告地球上的人類。這樣一來,在來自太陽的危險粒子抵達地球之前,電力公司就能盡量打開更多電路,以分散整個系統中的多餘電力。

延伸閱讀:太陽風暴引發令人驚歎的極光,觀看祕訣就在這近十年最強太陽閃焰爆發影響地球

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