耀斑于1859年被第一次观测到。巧合的是,海因里希·施瓦贝(Heinrich Schwabe)在同一年发表了关于太阳黑子周期的研究成果。
太阳和太阳风层探测器于23年11月4日观测到这次巨大的太阳耀斑。这是那天给科学家们带来惊喜的三个巨大的耀斑之一;之前从未见过这样的连续事件。这次爆发标志着太阳处于最为活跃的时期之一。
1859年9月1日,天文学家理查德·卡林顿(Richard Carrington)和理查德·霍奇森(Richard Hodgson)正在观测太阳。突然,通常平静的圆盘出现了小范围的剧烈爆炸,亮度迅速提升。爆炸持续了5分钟,时至今日,这可能也是人类观测到的最灿烂的一次耀斑。数小时后,地面上的地磁仪(用于测量磁场强度和方位的仪器)开始剧烈反应,指针显示,地球磁场出现了巨大波动。
这两位科学家当时还不知道发生了什么事,但从那以后,人们开始关注太空气候。
这次耀斑就是由前面提到的磁重联产生的。磁力线中蕴藏的能量像炸弹爆炸一样释放出来——相当于15亿个百万吨级核武器同时引爆,也相当于把太阳释放的总能量的1/1集中在一点上——并向太空和太阳表面射出高能光子(光的粒子)和亚原子颗粒。典型的太阳耀斑发射出的亚原子颗粒可以达到5英里/小时——25年,一次离奇的耀斑发出的一股光子仅用了15分钟就到达地球,其飞行的速度是光速的1/3.这些亚原子颗粒一般都是由耀斑中心直着向外飞出去的。基于此,耀斑发射出的颗粒大体上对于身处地球的我们不会有什么影响:它们足够集中,通常都会错过我们,不会引发什么灾难。
但是,这些颗粒不仅会射入太空,其中很大一部分还会射回太阳表面,被射中的气体剧烈升温,产生一道非常强的光线。到目前为止,这些仿佛都不是什么大问题;毕竟,光线应该不会有什么危险吧?
问题是,这要看是什么样的光线了。
我们通常所说的“可见光”只是电磁辐射中非常窄的一个范围。有些光线比可见光能量低,如红外线、无线电波;也有一些比可见光能量高,如紫外线、X射线和伽马射线。如果紫外线、X射线和伽马射线的量很大,那是非常危险的。其中,每个光子都携带着大量能量,它们能彻底改变所撞击的原子,剥离原子的电子,将它电离。
耀斑发出的高能射线会向外扩散。如果处于太阳边缘,它们几乎不会对我们构成任何威胁;但是,如果它们不幸出现在对着我们的太阳表面的任何地方,对我们就是一个潜在的危险。
我们简单描述一下太阳耀斑。当太阳黑子上方的磁力线突然断开时,它们会自我重整,并释放出大量能量。巨大的能量把周围区域的空气迅速加热到数百万度,高温气体会向外辐射包括X射线在内的高能射线。
以光速前进的高能射线8分多钟就可以到达9万英里外的地球。如果这种情况真的发生,处于射线路径内的任何东西都会被射穿:无论是卫星、宇航员,还是大气层。
地球表面厚厚的大气层是我们的保护神,使得我们免受宇宙射线伤害,但是太空中的宇航员基本上是裸露在射线下的。离开航天舱外出活动的宇航员如果被射中,他们吸收的X射线量相当于做1次甚至数千次X射线胸透。
X射线很可怕,因为它一旦被吸收,就会把自身的能量“存入”组织中,破坏细胞和DNA。如果DNA受损,可能(不是绝对的)会引发癌症。
射线吸收剂量是以雷姆(rems)为单位计量的。地球表面产生的自然辐射一直存在,在地球上活动的人每年吸收大约。3雷姆的辐射(这些辐射有的来自地球,有的来自外太空)。形象点儿说,牙科治疗中使用的X射线的剂量是。4雷姆,相当于每年总辐射的1/1.美国政府设定的高强度辐射工作环境标准为:工人身体每年吸收的辐射量不得超过5雷姆。
可是,就算是一次较弱的耀斑也能使一名宇航员受到数十雷姆的辐射伤害。这听起来很可怕,不过也不用过于担心,人的身体在经受高剂量辐射后能够自我修复。细胞会愈合,DNA的轻微损伤能够由身体的自然防御功能彻底恢复。但是,这并不代表这种伤害是无关紧要的:高强度辐射会使得皮肤发红、变粗糙并有可能继续恶化为皮肤癌,出现其它种类癌症的几率也很高。男性宇航员还有可能经历一段暂时的、历时数月的不孕期,再有就是男女都会出现脱发现象。
如果组织被破环得太厉害,身体就无法完成自我修复了。在大多数耀斑中,宇航员都会吸收数百雷姆的X射线。这可能会是致命的:在数小时以至数天的过程中,宇航员将经历由细胞死亡导致的慢性死亡,肠道内壁脱落,破裂的细胞向组织内渗透液体……美国宇航局(NASA)对于这种威胁高度重视。一旦观测到可能会有耀斑出现,国际空间站的宇航员都会退避到防护区域,让空间站吸收辐射以保证里面人的安全。
当宇航员登月时,他们也需要应对这个问题。月岩(Lunar Rock)是一种非常好的辐射吸收材料,因此今后的月球移民很有可能将用2~3码厚的月岩覆盖他们的住处。这也许没有玻璃穹顶那么浪漫,但能够实实在在地保护你免受耀斑的伤害。
一般来说,耀斑的爆发不仅会威胁到人类,我们的卫星也有被毁掉的危险。当耀斑发出的X射线或伽马射线击中卫星的金属表面,会将其电离。一道高能伽马射线能把卫星的大部分原子电离,大量连续的电子“碎片”飞离原子。还记得吧,运动的电荷形成磁场。这种突然的高强度磁脉冲会破坏卫星内部的电子元件。
很多民用卫星都在太阳耀斑出现时失踪。而军用卫星具备防辐射功能,即使在较大的耀斑出现时也能照常运行。近距离核爆炸的影响类似于耀斑,因此,军用卫星在宇宙发生核爆炸时也能幸免于难(只要碎片和高温没与它们直接接触)。
地球的大气层能够吸收高能射线,保护我们的安全。但是,吸收了射线后,大气的上层温度会升高,像热气球一样“膨胀”。如果膨胀得很厉害,可能会扩散到一些绕地运行卫星的轨道上。我们知道,卫星一般来说都在接近真空的环境中运行,当它们突然发现自己被扩张上来的稀薄的空气所包围时,会有些不适应,运行起来也会有点吃力。空气阻力使得卫星的轨道下降,落入更厚的气体中,接下来就会越来越低。即使它们逃过了耀斑辐射这一劫,也会在地球大气层中摩擦燃烧而被毁掉。很多低轨道运行的卫星都在太阳出现周期活动时受此影响而消失。美国的“太空实验室”号空间站就是因此而在1979年停止运行的。
正因为这样,太空研究机构和商业卫星的所有人对太阳耀斑都格外关注。研究发现,耀斑与太阳黑子周期有关,一般出现在太阳黑子最高峰或接近的时期。虽然还没有科学的依据,但从经验角度讲,能量最强的耀斑通常出现在太阳黑子最高峰后的一年左右。当然也有例外,1859年的耀斑(可能是史上最亮的一次)出现在太阳黑子最高峰的前一年。
那次耀斑引起了地球上非常频繁的磁现象。虽然那次耀斑确实让我们吃到了一些苦头,但现在看来,它对我们的研究是非常有帮助的。