地球磁场在某些方面与太阳磁场有点类似。它很有可能产生于地球内部炽热的岩体和金属的运动(不过,在太阳内部,运动的是温度极高的气体)。地球磁场向外扩展,穿过地球表面,延伸至太空,形成一个叫做“磁层”的区域。如果不受外界干扰,地球磁场会呈现一个环形围绕在我们周围——在一张纸上撒上铁屑,纸下面放一个条形磁铁,铁屑会形成一个新月状的线形,这里是它的三维版本。在太阳风持续不断的“吹拂”下,地球的磁层变成水滴状,就像被河水冲出的沙岸一样。尖的一头总会朝着背离太阳的方向,它有一个形象的名字——磁尾。
人们很早就学会利用地球的磁场确定北极的方向,但他们不知道的是,地球的磁场还发挥着重要的防护作用——抵御带电的亚原子颗粒的进攻。它保护着我们免受太阳坏脾气的影响,同时也保护着大气层:要是没有磁层,太阳风早就把我们的空气侵蚀干净了,地球就会像水星一样,成为一块贫瘠的大石头。火星很有可能就是因此而失去了大部分气体。
到目前为止,地球磁场扮演的还是正面角色。
来自太阳的CME到达地球时,它和地球的磁层相互影响。流动的能量使得朝着太阳的磁力线改变方向,把它们吹到相反的背阴的一面,进入磁尾,并与那里的磁力线重新联接——这有点像一阵强风把你的头发吹到脑后,与脑后的头发缠在一起。
地球的磁力线在磁尾重联,会释放出大量的能量。带电的亚原子颗粒在磁场作用下加速运动,撞入地球的大气层,电离空气中的分子,夺走它们的电子。当游离的电子与原子重新组合,会散发出流光溢彩的光线:氧分子发出红光,氮分子发出绿光。由于这种现象发生在极点附近的大气层,因此一般来说,居住在纬度较高地区的人有更多的机会目睹绚烂多彩的极光。如果爆发的能量足够大,那么在中纬度也有可能看到它们。1859年的那次太阳耀斑引起了一场大规模的CME,引发的极光在波多黎各都能看到。
数千年来,人们对极光十分着迷。可是直到近几年人们才明白,它们其实是我们头顶上巨大能量爆发的预兆,这种能量来源于距离我们最近的恒星……
地球不是唯一受太阳影响的行星。这幅来自哈勃太空望远镜的紫外线图片显示,土星的南北两极都有极光出现。任何带有磁场的行星在太阳处于活跃期时都会经历磁暴的干扰。
然而,一次大的CME的影响远不止一场光影秀那么简单。它们还会压缩地球的磁层。原本运行在磁层内的卫星会突然失去保护,完全暴露在CME的冲击下。进入的辐射会把它们毁掉。
还有一个来自CME的更大的影响,这种影响会直接作用到我们身上。
还记得磁场的变化会产生电流吗?当地球的磁场受到CME的影响而迅速变化时,所有临近的导体都会突然发现它们需要应付一股巨大的电流波动。
在地球表面,这样的导体大量存在,比如北美的电网。在正常的条件下,绵延数百万英里的电线可以轻松地将电流从一个地方运送到另一个地方,确保发电站发出的电力能够顺利地送到洛杉矶某个正在使用马格丽塔鸡尾酒搅拌器的家中。
但是,这些电线对于太阳风暴非常敏感。风暴来袭时,输电系统的负担陡然增加,电线迅速升温、下垂。电子工程师在最初设计时考虑到了这种情况,在正常条件下,系统能够承受这种变化。然而,太阳风暴引起的“变化”远远超出核定范围,加之原有的负担,电线不堪重负,大幅升温以至断掉。更糟糕的是,近些年来,越来越多的发电机并入电网,但是电线的数量并没有增加。随着时间的推移,美国的电力需求还在不断增加。起初设计用来运载少量电流的电线越来越接近运载极限。一次大的太阳风暴可以轻松摧毁输电站中的变压器(用来确保电线中运载的高电压电流能够在进入家庭前转变为低电压电流)。这些变压器很昂贵(有的和房子一样大),而且没有了它们就意味着整个城市将在很长一段时间内无电可用。案例:1989年3月6日,一群可怕的、穷凶极恶的太阳黑子在太阳表面出现。它们范围很大(横跨43 英里),引发了多次耀斑。虽然黑子群处在太阳的远端,天文学家们还是高度重视,对耀斑进行实时监控,并做了最坏的打算。
他们的努力没有白费,两周后,活跃的5395区域爆发了近2个耀斑,它们当中有1/4都可以归入最高级别当中。与此同时,36个日冕物质抛射(CME)事件接连发生。
受此影响,一位微芯生产商不得不暂时停产,因为一些敏感的元器件无法在这种情况下正常工作;指南针也失去作用,轮船无法按原定路线航行;很多卫星偏离了原位将近半英里,一个军用卫星难以抵挡强烈的冲击,开始下落。其它卫星也被猛“烤”了一遍。
不过,最糟糕的事情发生在3月13日。太阳风暴产生了一股巨大的地磁感应电流,电压的波动引起全球性的电力问题。在新泽西,一个发电厂5万伏的变压器被烧毁,更换它花费了1 万美元。这家企业用了6周时间更换这个变压器,在此期间因停止对外售电损失了将近2 万元。
在魁北克,影响更为严重。电流急冲迫使一个发电机停止了工作,大范围的输电线路被毁,突发的电力供应停顿使得输电网濒临崩溃。在一个寒冷冬季的午夜,6万加拿大人无电可用。好几天后,输电网才得以恢复。经工程人员估算,整个损失高达数十亿美元。和小行星撞击事件一样,人们可以采取一些手段减轻由耀斑和日冕物质抛射(CME)带来的损失。在空中,可以用卫星抵挡微粒和伽马射线的冲击;在地面,可以通过翻新发电站以增加输电系统的抵御能力。不过,无论是哪种方法,都耗费不菲。比如,翻新发电站、增加输电线就需要投入数十亿美元。
这种事件发生的概率其实很小,一个世纪顶多2~3次。但由于我们对输电网的依赖程度越来越高,来自太阳的潜在威胁还是在不断增加。
另外,还有一个来自太阳活动的影响需要关注。在针对1859年事件的后期研究中发现,太阳射出的高能亚原子颗粒进入大气层时,会分解(科学家称之为“离解”)臭氧分子。臭氧分子由三个氧原子组成(我们呼吸的氧气由两个氧原子组成),它们能十分有效地吸收太阳光中的紫外线,保护我们的安全。1859年的那次耀斑事件对于臭氧的破坏相对有限,只是很小的一部分。即使这样,也导致更多的紫外线辐射到达地球表面。由于一个多世纪之前的医疗记录不多,这次事件对人类的影响还不是很清楚,但是可以肯定的是,那次事件后的一些年里,皮肤病发病率有了显著的上升。紫外线的增加也会影响生态系统和食物链(第四章会有更为详细的描述),同样,关于这个问题的记录也不是很完整。
不过,至少有一个可考量的影响。空气中的分子被进入的微粒分解后,能够重新组合成其它化合物,其中包括二氧化氮(NO2)。当这种红褐色的气体在大气层中大量产生,会随着雨水降落到地面,存在土壤中。对格陵兰岛冰核的研究显示,1859年后,硝酸盐的存量不断增加。
NO2在大气层中可以氧化形成硝酸。硝酸溶解在水滴中,就会形成酸雨,这对地球的生态系统具有极坏的影响。在1859年的事件中,这种影响并不是很明显。不过,如果未来爆发更严重的太阳事件,并且侵犯大气层,我们就能体会到这种作用的可怕了。这是太阳作弄我们的另一种方式。