太陽長了一張麻子臉，“麻子”還越來越多了？根據(jù)比利時皇家觀測臺公布的國際太陽黑子數(shù)據(jù)，今年6月，太陽表面出現(xiàn)了160多個太陽黑子，這是20多年來太陽黑子數(shù)最多的一個月。有文章稱，未來2-3年太陽活動愈加極端，可能發(fā)生災(zāi)害性很強的太陽風(fēng)暴，而在8月6日和8日，太陽連續(xù)爆發(fā)了兩次較強的X級耀斑事件，似乎也驗證了這個預(yù)測，這引起了公眾的廣泛關(guān)注和擔(dān)憂。

那么，太陽風(fēng)暴是一種什么現(xiàn)象？災(zāi)害性的超強太陽風(fēng)暴真會發(fā)生嗎？我們今天就來聊聊這個話題。

1.觀測太陽大氣可知其“動向”

太陽不是一個固體，能夠發(fā)光發(fā)熱的它，其表面溫度有5700℃，內(nèi)部溫度更高，在這樣的高溫條件下所有物質(zhì)都會被電離。因此，太陽本質(zhì)上是個熾熱的“大氣球”，構(gòu)成它的化學(xué)成分以氫和氦為主，分別占總質(zhì)量的71%和27%，其它成分為各種重元素，如氧、碳、氖、鐵等。

太陽半徑約70萬公里，是地球半徑的109倍，相當(dāng)于地月往返距離。由此，可計算出太陽的體積為130萬個地球的體積。如果把直徑25米的北京天文館大圓頂比作太陽，那么地球只相當(dāng)于一個足球大小?？梢?，相對地球來說，太陽絕對是一個龐然大物。

如此巨大的太陽在地球上看卻不過圓盤大小，原因是太陽距離我們太遠了——大約1億5千萬公里。速度3600公里/小時的高速飛機從地球晝夜不停地飛到太陽，大約需要4.75年；即使以第二宇宙速度11.2公里/秒飛行的火箭從地球到太陽，也需要154天。不過，這段遙遠的路程，太陽光只需約8分鐘就能走完。

就像地球內(nèi)部有分層結(jié)構(gòu)、外部有大氣層一樣，根據(jù)物理性質(zhì)的不同，太陽從內(nèi)到外也可分成若干層次。我們?nèi)庋劭吹降陌l(fā)光圓球只不過是太陽的一個圈層——光球。光球以內(nèi)是太陽內(nèi)部，從里到外依次為核心、輻射層和對流層；光球以外是色球和日冕，它們與光球統(tǒng)稱為太陽大氣。

太陽內(nèi)部幾乎集中了太陽的全部物質(zhì)。然而，由于來自內(nèi)部的輻射被上面的太陽大氣包裹得“密不透光”，所以在地球上看不到這些層次，其性質(zhì)只能依靠對太陽大氣的觀測來進行理論推測。

通過對不同層次太陽大氣的監(jiān)測，科學(xué)家可以從中獲取太陽爆發(fā)的基本信息。通過光球?qū)佑^測，可以看到太陽黑子的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出（日面）的時間，在日面上的大小變化等；通過色球?qū)樱梢钥吹饺彰嫔鲜欠裼幸?、日珥等現(xiàn)象；通過對日冕層的觀測，可以看到冕洞、冕環(huán)，最重要的是可以判斷日冕物質(zhì)拋射的方向和強度，為是否會對地球產(chǎn)生影響提供預(yù)測依據(jù)。

2.太陽黑子實為強磁場聚集地

那太陽風(fēng)暴是怎么產(chǎn)生的呢？這就要先說說太陽黑子了。

太陽的光球并非像肉眼看到的那樣光潔，也會長“青春痘”，科學(xué)家把這種時常出現(xiàn)的深暗色斑點稱為“太陽黑子”。因為太陽“臉”大，“痘”自然也不小，一個中等大小的黑子大概和地球差不多大。

其實，太陽黑子并不黑，只是因為它的溫度比光球低，在明亮的光球背景襯托下顯得黑而已。太陽黑子溫度低的直接原因是它自身具有強磁場，磁場強度在1000-4000高斯之間，比地球上的磁場強度高出1萬倍。強磁場能夠抑制太陽內(nèi)部能量通過對流的方式向外傳遞。所以，當(dāng)強磁場浮現(xiàn)到太陽表面時，該區(qū)域的背景溫度會從5700℃緩慢降至4000℃左右，使該區(qū)域以暗點形式出現(xiàn)，即黑子產(chǎn)生。

黑子傾向于成群出現(xiàn)。一個發(fā)展成熟的典型黑子群由兩部分組成，因太陽自轉(zhuǎn)的原因，西邊的部分總在前面，稱為前導(dǎo)部分；東邊的部分則稱為后隨部分。前導(dǎo)黑子和后隨黑子的磁場極性相反，一個表現(xiàn)得如北磁極（N），另一個則表現(xiàn)得如南磁極（S），所以這樣的黑子群也被稱為雙極黑子群。一般情況下，黑子越大，磁場極性越復(fù)雜，磁場強度也越大。

太陽風(fēng)暴實際上就是太陽物質(zhì)和能量掙脫磁場束縛的一次釋放過程，而太陽黑子正是這場“博弈”的關(guān)鍵位置，因此，可以說太陽黑子就是太陽風(fēng)暴的源頭。

從長期來看，太陽黑子數(shù)量的多少存在11年左右的周期變化。1843年，德國天文愛好者施瓦布通過1826-1843年間的日常黑子觀測，首次發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。黑子相對數(shù)年均值的極大和極小年份，分別稱為太陽活動的極大年（峰年）和極小年（谷年）。通常，科學(xué)家也將黑子相對數(shù)年均值相對較高的太陽活動極大年和其相鄰的幾年，稱為太陽活動高年；黑子相對數(shù)年均值相對較低的太陽活動極小年和其相鄰的幾年，稱為太陽活動低年。

3.黑子越多太陽風(fēng)暴頻次越高

“風(fēng)暴”在《辭?！分械慕忉尀椋汗未箫L(fēng)而且同時有大雨的天氣現(xiàn)象，比喻規(guī)模大而氣勢猛烈的事件或現(xiàn)象。所謂太陽風(fēng)暴，是人們對太陽爆發(fā)活動及其引起近地擾動的一種形象和通俗的說法，其結(jié)果會對我們的衛(wèi)星運行、導(dǎo)航通信、地面系統(tǒng)產(chǎn)生一系列影響。

從記錄的第一個太陽活動周期算起（以1755年極小年起算的活動周為第1太陽活動周），人類已經(jīng)有24個太陽活動周期的完整記錄。其中，有的活動周太陽黑子數(shù)整體偏低，屬于弱活動周；有的活動周太陽黑子數(shù)整體偏高，屬于強活動周。

根據(jù)歷史資料統(tǒng)計，一個太陽活動周中太陽風(fēng)暴的發(fā)生頻次，與太陽活動周的總體強度基本呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，即太陽活動周的黑子數(shù)愈多，活動周愈強，太陽風(fēng)暴的次數(shù)就愈多、強度愈強；太陽活動周的黑子數(shù)愈少，活動周愈弱，太陽風(fēng)暴的次數(shù)則愈少、強度愈弱。

此外，在一個太陽活動周中，比較劇烈的太陽風(fēng)暴都發(fā)生在太陽活動高年。例如，史上最強太陽風(fēng)暴——卡林頓事件，發(fā)生在1759年，是第1太陽活動周的高年；讓世人矚目的加拿大魁北克大停電事件，發(fā)生在1989年，是第23太陽活動周的高年；引起多顆衛(wèi)星故障的萬圣節(jié)事件，發(fā)生在2003年，是第24太陽活動周的高年。

太陽風(fēng)暴對于地球的影響細分起來，可形象地稱之為3輪“攻擊”。

第一輪：耀斑爆發(fā)影響短波通信

太陽耀斑爆發(fā)時增強的電磁輻射以光速奔跑，只需約8分鐘即可到達地球空間，會導(dǎo)致地球向陽面電離層的電離迅速增加，電離層發(fā)生短波吸收現(xiàn)象，從而影響短波通信（短波通信是一種利用短波無線電波進行遠距離通信的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍事、民航、海運、天氣預(yù)報、緊急救援等領(lǐng)域）。

第二輪：高能粒子引發(fā)太陽質(zhì)子事件

高能帶電粒子的速度相對較慢，約幾十分鐘后到達地球空間，主要導(dǎo)致地球中高軌道尤其是同步軌道高度的高能質(zhì)子等粒子通量急速上升，發(fā)生太陽質(zhì)子事件。這時，軌道上的航天器周圍如同遭遇了一場高能帶電粒子“暴雨”的襲擊，粒子像高速飛行的子彈，能夠擊穿幾毫米厚的金屬，襲擊航天器內(nèi)的微電子器件等，具有很強的破壞性。它們會造成航天器發(fā)生異?；蚬收?，給在軌航天器的安全運行帶來巨大威脅，甚至損壞航天器。

第三輪：快速等離子體云可影響衛(wèi)星運行

太陽從日冕拋射出的快速等離子體云1-4天到達地球，會與地球的磁層發(fā)生相互作用，引起全球性磁場的劇烈震蕩，發(fā)生地磁暴。當(dāng)發(fā)生強地磁暴時，會導(dǎo)致地球低軌道大氣密度急劇增大，對衛(wèi)星的拖曳效應(yīng)迅速上升，引起衛(wèi)星軌道的快速衰減；同時大量熱等離子體的注入，可導(dǎo)致衛(wèi)星表面充電電位升高，發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，從而引起航天器異常；地磁暴發(fā)生及其后數(shù)天，可能引發(fā)高能電子暴，而高能電子具有極強的穿透力，會在衛(wèi)星附近產(chǎn)生高達數(shù)千伏的電壓差，由此引起的放電脈沖可損壞衛(wèi)星材料、破壞電子器件，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星報廢；地磁暴還可能引發(fā)電離層暴，使全球?qū)Ш蕉ㄎ痪认陆怠?/p>

地球上可以用肉眼觀測到的最壯觀空間天氣現(xiàn)象“極光”，就與太陽風(fēng)暴息息相關(guān)。如果想看極光，在太陽風(fēng)暴第三輪攻擊到來之前，去地理緯度高的地方靜等便可。因為當(dāng)大量的等離子體注入到北極、南極地區(qū)的電離層時，它們會與高層大氣分子、原子進行撞擊，從而形成絢爛多彩的極光。

4.峰年將至但談不上“災(zāi)難”

當(dāng)前，我們正處于第25太陽活動周高年前夕。美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)合美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）牽頭成立的第25太陽活動周預(yù)測專家組（由來自美國、中國、加拿大、英國和日本等國的12名科學(xué)家組成）預(yù)測，雖然第25活動周的太陽活動水平比第24太陽活動周略高，但仍然屬于一個弱活動周，低于過去24個太陽活動周的平均水平。不過，由于太陽風(fēng)暴的發(fā)生具有偶發(fā)性，不排除發(fā)生強太陽風(fēng)暴的可能。

從數(shù)據(jù)來看，自2019年12月進入第25太陽活動周以來，截至今年8月的近4年時間里，太陽活動整體水平一直穩(wěn)步上升。表征太陽活動水平的太陽黑子數(shù)平滑月均值（平滑值是指在一個數(shù)據(jù)序列中，用某個值來平滑相鄰的兩個數(shù)據(jù)點，以使數(shù)據(jù)變得更加平滑或減少波動）從2019年12月的2上升至今年1月的113，接近第24太陽活動周的峰值116。而今年6-7月，太陽黑子數(shù)的月均值為160左右，已超過第24太陽活動周的峰值146，是自2002年10月以來的最高值。根據(jù)監(jiān)測顯示，本活動周的太陽活動仍處于上升趨勢中。

但站在宏觀角度來分析，在過往的4年攀升過程中，雖然發(fā)生了多次太陽風(fēng)暴，但頻次和強度仍然偏低。例如，在2020-2022年，標(biāo)志著太陽風(fēng)暴首輪攻擊的耀斑事件，共爆發(fā)214個M 級耀斑、9個X級耀斑（X級屬于大耀斑）。其中，最強級別的耀斑為X2.2級，發(fā)生在2022年4月20日，由于爆發(fā)位置位于日面西邊緣且持續(xù)時間短，只引起亞太地區(qū)比較明顯的電離層突然騷擾，并未引發(fā)太陽質(zhì)子事件、地磁暴等第二輪、第三輪攻擊事件。標(biāo)志著第二輪攻擊的太陽質(zhì)子事件，只發(fā)生了6次小質(zhì)子事件，對在軌航天器基本沒構(gòu)成威脅。標(biāo)志著第三輪攻擊的地磁暴，算是比較頻繁，共有166個時段（一個時段為3小時）發(fā)生地磁暴，有6個時段為大磁暴級別。其中，最強的一次地磁暴事件發(fā)生在2021年11月4日，地磁Ap指數(shù)（地球磁場活動的一個指標(biāo)，主要用于監(jiān)測太陽風(fēng)暴和地磁暴的強度和頻率）為69，屬中等強度的地磁暴。

今年以來，太陽活動上升到一個新水平，太陽風(fēng)暴的發(fā)生頻次也有所增加。從1月份至8月份，太陽累計出現(xiàn)了225個太陽黑子，接近2022年全年的261個，這導(dǎo)致了太陽爆發(fā)活動的頻繁發(fā)生。截至目前，太陽發(fā)生了11次X級耀斑，超過了2020-2022年的總和。其中，最強級別仍為X2.2級，發(fā)生在2月18日，爆發(fā)位置位于日面東邊緣，引起了東太平洋地區(qū)比較明顯的電離層突然騷擾。巧合的是，其它10次X級耀斑事件的爆發(fā)位置也都比較偏，沒有引發(fā)太陽質(zhì)子事件、地磁暴等。

這些數(shù)據(jù)表明，太陽峰年即將到來，太陽臉上的“麻子”會更多，“脾氣”會更暴，太陽風(fēng)暴也遲早會來。預(yù)計在2025年前后，地球會遭受更多的高能粒子和頻繁高速太陽風(fēng)的沖擊。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的空間環(huán)境預(yù)報中心也做好了準(zhǔn)備，利用天地基觀測設(shè)備全天候監(jiān)視太陽的一舉一動，做好太陽風(fēng)暴的預(yù)警工作，并向衛(wèi)星運行、導(dǎo)航通信等部門及時發(fā)布耀斑、太陽質(zhì)子事件和地磁暴等各類預(yù)警信息，以便提早做好規(guī)避和防護，如耀斑期間提高短波頻率、調(diào)整航天員出艙窗口以規(guī)避太陽高能粒子等。

總之，太陽黑子、耀斑等太陽活動是太陽系內(nèi)的自然現(xiàn)象，必然會對地球產(chǎn)生一定影響。但是，地球擁有強大的磁場和大氣層，科學(xué)家也在積極研究保護地球和人類的技術(shù)手段。相信隨著科技水平的不斷提高，未來人類將會更好地應(yīng)對太陽風(fēng)暴等現(xiàn)象帶來的影響，并繼續(xù)探索宇宙的奧秘。

（作者為中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員）