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作者：周大庄 来源： 发布时间：2015-11-17 12:4:48
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太阳高能粒子
产生于太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）的太阳粒子可通过太阳耀斑、日冕和行星际激波中加速到高能。太阳高能粒子由质子、重离子和电子组成，就辐射而言，质子占统治地位。
当太阳耀斑和CME朝向地球方向加速太阳粒子时形成太阳粒子风暴，经过地球附近的粒子被地球磁场偏转，具有足够动能的粒子可透过地球磁场进入地球大气。
太阳粒子可与磁场和大气物质作用，产生一系列地球物理效应如地磁暴、极光和放射性碳等元素及NO自由基的增长。因此通过研究树木、珊瑚、冰心的放射性元素和NO自由基的变化，以及磁暴和极光，便可获得太阳粒子事件的发生年代和粒子强度。
利用强太阳粒子事件的历史资料可以研究太阳高能活动规律和预报未来的强太阳粒子事件及辐射，这是一种新的方法。
公元775年超强太阳粒子事件
最近几年科学家陆续发现了公元775年前后全球范围树木和珊瑚年轮放射性碳等元素的高增长以及长达数小时的强极光。这些事实表明，公元775年发生过万年以来最强烈的太阳粒子事件。
根据放射性碳的高增长计算出这一事件的太阳高能质子通量是4.5×1010/cm2 （≥30 MeV），而且它的能谱很硬（即粒子强度随能量的增加缓慢减弱），因此辐射极强。
相比之下，一直以来公认的最强的1859年卡林顿（Carrington）太阳粒子事件，虽然它的太阳质子通量大约为775年事件的40%，但是由于没有测量到放射性元素的高增长，能谱应较软（即粒子强度随能量的增加迅速减弱），其辐射远远低于775年事件。
模拟计算表明，如果775年太阳质子能谱与1956年2月的太阳质子谱相似，在普通航天器内（屏蔽物质大约为10 g/cm2铝）质子引起的宇航员造血组织辐射剂量可高达15 西佛特（Sv）, 大约为1859年太阳质子辐射的十倍（如果1859年太阳质子能谱与1972年太阳质子相似）。远远超过美国宇航局推荐的终生辐射剂量限值，相应于这一高辐射值的辐射风险，即辐照人员因辐射致癌而死亡的机率几乎为百分之百。
幸运的是，775年代人类还没有航天活动，在地球大气层的保护下，775年太阳粒子事件引起的地面辐射风险仍然很小，人类得以幸存。
根据目前积累的资料，在万年以来的十个最强太阳粒子事件中，就高能质子通量而言，775年事件排行第一，1859年事件排行第十。因此，任何与强太阳粒子有关的辐射危害和防护研讨，都应当同时参考1859年和775年超强太阳粒子事件。
强太阳粒子事件的危害
强太阳粒子辐射可引起各种灾害，除了宇航员的辐射风险，强太阳粒子事件和太阳风暴可能对地面和空间微电子学器件、光电子学器件、通讯设备等产生严重破坏，甚至摧毁围绕地球运转的人造天体，包括全球定位系统以及人造通信卫星、载人航天器与空间站。
另外，地球上的远距离输电线在太阳风暴中形成的强电流会冲击毁坏变电站，让受灾地区陷入黑暗，无法供给电力，医院、超市、银行、机场、加油站等各种设施无法运作。空间天气重灾地区甚至可能爆发为争夺生存资源的动乱和战争。
1859年9月，地球曾遭受到卡林顿事件的太阳风暴正面袭击，南至夏威夷都可以看到北极光。电报代表当时的高科技，卡林顿事件使美国的电报系统失灵，一些电报员直接遭受电击。
1989年10月发生的一次较大的太阳磁暴事件，导致加拿大魁北克水力电网瘫痪，部分地区断电长达9小时，600万人受到影响。
2003年10月的较强太阳风暴使得美国加州中部上空出现了罕见的极光，全球的通讯受到干扰：海事卫星电话系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断；全球GPS定位系统的定位系统精度降到50米以下；穿越高纬度地区的航班不得不启用紧急备用通讯系统，许多航班改变航线，降低飞行高度，导致航线拥挤不堪；瑞典有5万人电力供应中断；美国航天局的半数卫星出现故障，日本的一颗气象卫星与地面失去联络；国际空间站上的两名宇航员紧急转移到辐射防护设施最好的生活舱。
类似775年和1859年的极端空间天气袭击地球所带来的经济损失可达数万亿美元。如果发生在高度发达的北美和欧洲，一次超级太阳风暴就有可能让美国这样的高度发达国家瞬间变成发展中国家。
所以，研究超级太阳风暴的机制和空间天气灾害预报对保护人类社会的经济利益，持续发展和维护社会稳定至关重要。
强太阳粒子事件长期预报新方法
为了应对太阳粒子风暴灾害的预报和防治，必须同时具备空间天气短期预报（几天以内）和长期预报（一年以上）的能力。
目前，虽然人类在空间灾害天气短期预报方面已经获得较大的成功和进展，但是短期预报的极限能力大约是3天，不能解决和替代长期空间天气预报，因此需要研究长期预报。但长期预报目前在国内外几乎都是空白。
如果有了长期预报的方法和能力，就能提前几年甚至几十年预报强太阳风暴的发生年代和粒子的最可能强度。另一方面，可以利用短期空间天气预报方法预报强太阳风暴发生的准确时间和风暴强度。因此，长期空间天气预报和灾害防治必然会成为一个新的重要研究领域。
长期预报新方法和传统方法不同，传统方法基于太阳黑子数的11年周期和卡灵顿事件预报强太阳粒子事件。这种方法不能很好地预报太阳粒子的发生年代，也不能较准确地给出所预报事件的粒子强度。
新方法是基于历史大数据的定量分析法。首先利用近万年的国内外资料建立历史强太阳粒子事件大数据库，在此基础上分析寻找强太阳粒子事件发生的长周期和质子平均强度的数学拟合回归公式，利用它们即可比较准确地预报未来强太阳粒子事件的发生年代，粒子强度和极端强度的发生概率。
根据对万年以来强太阳粒子事件历史大数据的分析，除了11年太阳黑子主周期，还发现了50±5年和100±10年的强太阳粒子事件长周期，如1505~1605年，1619~1719年，1859~1960年约是100年；1810~1859年，1960年11月至2012年7月约是50年。另一方面，如果考虑上一次强太阳活动高峰在2001年，按11年主周期，2012年是可能的强太阳粒子发生年份，两种方法预言的结果相同。按新预报方法，2060年左右很可能发生强太阳粒子事件。
另外，用新方法和2003年之前的强太阳粒子事件数据所得拟合公式计算，2012年太阳粒子事件质子的最可能强度为（2.0±0.5）×109/cm2（≥30 MeV），与观测结果吻合甚好，最大强度约为1010/cm2（≥30 MeV），远小于775和1859年超强太阳粒子事件强度，发生概率约为1%。
假如2012年7月的强太阳风暴正好对准地球，其太阳质子强度可能接近估计的最大强度。这些在2003年就可得到的研究结果显示2012年不会有特大空间天气灾害。与新方法相比，旧的预报方法不能计算未来强太阳粒子事件质子强度，只能参考卡林顿事件或775年事件，因此容易预报成特大空间天气灾害。
长期空间天气灾害预报意义重大
极端太阳活动的长期预报可以用来指导未来深空载人航天活动（探索月球、火星和其它行星），从辐射角度确保航天员的生命安全以及航天飞船微电子和光电子器件设备的安全。
按目前的技术水平往返一次火星加上火星科学探索，总共需要几年时间；航天员在空间站往往停留数月甚至超过一年。
只靠短期空间天气预报不可能为这样的长时间航天活动提供空间天气预报和辐射安全保障，长期预报方法可能很有用。按长期预报今后几十年很可能没有超强太阳粒子事件，因而是人类深空载人航天活动一个极佳的时间窗口。
极端太阳活动长期预报可使我们尽早知道灾害的发生年代和灾害程度，从而及早有计划地做好减灾准备，以便最大限度地减除灾害，保护人类文明和财富，保障社会安定。■
（作者系原美国国家航空航天局资深科学家，188体育平台国家空间科学中心特聘研究员）
《科学新闻》 (科学新闻2015年10月刊 观点)
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