最近，社交媒体上爆发了来自世界各地的华丽、令人敬畏的照片，描绘了夜空中闪烁的明亮彩带。虽然大多数人以前都看过这些极光的照片，但它们通常是在靠近地球两极的地区拍摄的——这就是为什么那些通常出现在人口稠密地区的极光被称为北极光。这次的不同之处在于，让许多不住在北极圈附近的人高兴的是，极光出现在地球上更广泛的地区——最南到南加州。
这是因为极光是由太阳风暴引起的——太阳喷射出的巨大能量——而引起这些不那么北极光的太阳风暴异常强烈。当太阳进入宇宙时，地球一直处于太阳能量的路径上，当太阳风暴产生的能量比平时更强时，它会与地球的磁场和大气相互作用，导致地磁风暴。这会以多种方式影响地球，影响电网、卫星、通信系统、导航设备等等。如果你想知道一个起源于9300万英里外的天文事件是如何以美丽的色彩让夜空眼花缭乱，同时又可能对我们的基础设施造成严重破坏的，幸运的是，你不需要物理学博士学位就能掌握这一现象背后的基本原因。
虽然这看起来像是科幻电影里的一个遥远的概念，但太阳风暴实际上相对简单。下面我们来看看什么是太阳风暴，为什么它们会影响电网，以及另一个潜在的危险的太阳风暴是否会很快再次袭击地球。
太阳风暴是如何到达地球的?
虽然从我们在地球上的角度来看，它可能看起来相对平静，但我们的太阳是一个极不稳定的气体球，经常发生太阳风暴、太阳耀斑和日冕物质抛射。太阳风是从太阳的日冕或外层发射的带电质子和电子的持续流动。这些粒子可以以每秒500英里的速度在太空中穿行，这就是为什么“太阳风”是一个合适的名字。由于太阳向四面八方驱逐太阳风，许多日冕抛射并不直接影响地球磁场，因此地磁风暴比太阳风暴发生的频率要低。
然而，有时地球确实会陷入太阳风暴的路径中。当它这样做时，太阳风的带电粒子接触到地球铁芯产生的磁场——同样的磁场保护地球免受宇宙辐射，并帮助保护地球上的生命。幸运的是，大多数太阳粒子都被地球磁场偏转了，尽管有些粒子被地球磁场捕获并在磁场中上下移动。当粒子与地球高空电离层中的氧原子和氮原子碰撞时，会产生绿色、黄色、蓝色、红色、紫色和橙色的光，这些光在沿着磁场移动时闪烁并改变形状。
因为两极的磁场最强，所以你通常会在那里看到极光。但是，太阳活动在11年的周期内达到高峰和减弱，在高峰时发生更大更频繁的太阳风暴。更强大的风暴可以压倒地球的磁场，并导致极光发生在远离两极的地方，这就是为什么有时它们可以在非典型的地方看到。
太阳风暴是如何影响电网的?
物理学家很早就知道，电场和磁场是同一种基本力的两个方面。当太阳风暴在地球磁层引起地磁风暴时，流入电网的感应电流可以超过100安培。这些多余的电力即使不会破坏，也会损坏电缆和变压器内部脆弱的部件。
就像你不想一次把太多的电器插到同一个插座上一样，太阳风暴就像把太阳的能量直接插到电网里，而电网可能还没有准备好处理它。我们在现实生活中看到过这种情况，比如1989年，一场太阳风暴破坏了新泽西州的一个变压器，触发了电网的断路器，导致500万人在几个小时内没有电。由于许多电网是由地下、海底和地上电缆组成的复杂网络连接起来的，一次太阳活动就能造成大范围的破坏。
除了影响电网外，磁感应电流的涌入还会扰乱包括计算机和卫星在内的各种其他设备，从而扰乱互联网。不仅如此，太阳风暴还会改变地球大气层的密度，影响卫星的轨道，使它们偏离轨道，从而破坏用于导航、通信和其他应用的GPS。地对空、短波和船对岸无线电通信尤其脆弱，因为无线电频率会被地磁风暴吸收、反射和误导。
历史表明，地磁风暴会造成破坏
地磁风暴的测量等级从G1到G5。最近在美国、欧洲和其他远离两极的地方造成极光的风暴是最强大的:G5。然而，还有其他由太阳风暴引起的G5事件，在强度上使最近的这次相形见绌。通过测量冰芯样本中的放射性同位素，科学家们认为，极强烈的地磁风暴可能每500年发生一次。最近的一次，被称为卡灵顿事件，发生在1859年。它是以理查德·卡灵顿的名字命名的，他是一位业余天文观测者，目睹了太阳粒子大量的日冕抛射。通常需要几天才能到达地球的太阳风，在17.6小时后以惊人的速度击中了我们的大气层。
当它发生时，强大的太阳风暴导致极光一直延伸到地球的热带地区，如古巴和夏威夷。这也是自基本电子学发明以来发生的第一次主要的地磁风暴，人类能够观察到它们是如何受到影响的。如此多的带电能量进入电报电缆和最近才安装的机器，以至于操作人员在接触它们时受到电击，而设备附近的纸张因爆炸的火花而着火。
令人惊讶的是，缅因州的电报操作员报告说，即使电池与设备断开，他们也可以发送和接收信息，因为它完全由周围的太阳能供电。其他设备无法应对电力浪涌而被损坏或摧毁。当时，电子通信仍处于起步阶段，这就引出了一个问题:如此强大的太阳风暴会对当今地球的基础设施造成什么影响?
下一次太阳风暴什么时候袭击地球?
一些最大的太阳耀斑，比如引起卡灵顿事件的耀斑，释放的能量相当于10亿颗氢弹。虽然这种强度的风暴估计平均每500年发生一次，但强度只有它一半的风暴仍然大约每世纪发生两次。目前，太阳正接近其11年周期的高峰，太阳活动最大值将在2025年7月出现。
美国国家空间天气预报中心认为，在此期间可能会出现多达115个太阳黑子。太阳黑子通常是太阳耀斑和日冕物质抛射发生的地方。此外，太阳活动将保持高水平，因为周期在峰值后呈下降趋势，所以我们仍然可以预计，在未来几年里，一些大的太阳风暴将导致地磁风暴。
这意味着卫星运营商必须不断调整轨道，并警惕更强大的耀斑，这些耀斑可能会破坏它们的电子设备，甚至可能在风暴高峰期暂时关闭它们。幸运的是，虽然光从太阳到地球可能只需要8分钟，但太阳风要慢得多。就像我们提前注意到最近的极光一样，科学家将能够提前几天看到大多数地磁风暴的到来。然而，如果太阳风暴像卡灵顿事件发生时那样强大，预警窗口可能会缩小到几个小时。
我们如何防止太阳风暴造成的破坏?
随着我们的社会比以往任何时候都更加依赖电力和互联网，一些人认为太阳足够严重的爆炸可能会结束数字时代。2012年，一场比卡灵顿事件更强大的太阳风暴发生了，它可能会破坏我们的通信和电网。幸运的是，它刚好与地球擦肩而过。不过，在某种程度上，我们可以预计，强大的地磁风暴至少会造成一些破坏。
主要的公用事业公司已经意识到这一点，并且已经提出或实施了减轻或防止太阳风暴对电网造成损害的方法。这包括在现有变压器被破坏的情况下设置临时变压器，或者安装飞轮和其他阻尼装置，从电网中移除多余的电力。一些设备也可以放置在法拉第笼中，这可以物理地保护它们免受电磁脉冲和太阳风暴引起的浪涌的影响。
为了防止损坏，如果预计有风暴，电网也可以暂时关闭。如果预报会有一场大的地磁风暴，你也可以在家里做好准备，就像你在飓风或地震等可能导致停电的紧急情况之前所做的那样。这包括储备食物、水、电池、药品和其他用品，以及确保你的汽车油箱是满的。
最后，我们需要确保像太空天气预报中心这样的机构继续获得足够的资金来监测太阳，并密切关注任何即将发生的太阳活动。这样，当下一次大太阳风暴发生时，我们就能做好准备。
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