太陽輻射風暴會害我們被輻射汙染嗎？

文／雷恩．法蘭西；譯／藍仕豪

影響人類科技的太空氣象

磁暴除了形成美麗的極光外，還會造成其他影響，它有可能干擾人造衛星、電力網以及其他基礎設施，因此太陽活動對人類科技的影響，就稱為「太空氣象」。

主要有三種類別的現象會影響太空氣象：磁暴、太陽輻射風暴、以及無線電中斷，每一個類別都與太陽發生的事件密不可分。

• 磁暴來自於磁層中所發生的磁重聯，其原因是CME或流經地球的太陽風。
• 太陽輻射風暴來自於太陽閃焰，因為粒子來回反彈加速而成的高能粒子。
• 無線電中斷則是由於地球高處的大氣層，受到太陽閃焰強烈照射而形成的結果。

關於這三類的太空氣象，接下來將有更詳細的介紹。

磁暴可能造成重大的經濟損失

當地球磁場受到太陽活動而出現變化時，就可能會出現磁暴。其原理是當帶有明顯南向磁場的CME或是高速太陽風流，在地球晝側影響磁層，造成地球夜側發生磁重聯的現象。

相較於高速太陽風流，CME會造成更大也更難預測的磁暴，這是因為高速的太陽風流來自於冕洞（見圖表2-34），也就是太陽大氣層中開放磁場的區域（一如字面上的意思，就是日冕上的洞。譯註：開放磁場的磁力線會延伸到距離太陽遙遠的區域，甚至到達星際空間）。

由於冕洞會持續較長的時間，科學家能在提前約一週的時間，預測高速太陽風流何時抵達地球與地磁效度。

磁場與電場由於電磁效應而密不可分，當磁場發生變化時就會生成電場，從而在導體內產生電流。

當地球磁場在經歷磁暴而產生變化時，地球上的長距離導線就會出現明顯的感應電流。不幸的是，我們的電力輸送線、電報線與鐵路供電系統，正是這種長距離的導線。

在1859年卡林頓事件期間，即使沒有人為輸送電流，地磁變化在電報線中產生的電流足夠大，使得電報機獲得明顯的電報訊號。

對正在運作的電報系統而言，額外的電流出現使得系統過載，導致電報機出現火花並電擊操作人員。

普遍來說，當快速變化的電場出現時，如果電子元件沒有抵抗的設計，就會遭受許多損害。在我們的居家環境當中，快速的開關電器，或是電器忽然發生故障，都可能會導致開關跳脫或保險絲熔斷，這樣的設計是為了避免家中電力系統產生永久性的損壞。

在磁暴期間產生的電流，會明顯大於吹風機造成短路的電流。更不幸的是，我們現代生活中有大量的電器，因此要擔心的問題，遠多於當年的卡林頓事件。

在太空中，我們日常生活中所依賴的人造衛星，如果身處在磁場變化劇烈的區域，就可能出現超出其設計範圍的感應電流，引發暫時的故障或永久性的損傷。

而在地面上，火車供電設施中，長達數公里的直條電纜（十分良好的導體），也會因為磁場劇變而引發類似的技術故障。

此外，磁暴引起的電場也會在其他地方生成額外的電流，例如在電力輸送網中，電纜與變壓器等設備本身就已經帶有電流，當額外的電流出現，就可能造成許多元件損壞。

如果變壓器損毀，可能造成局部地區出現數小時至數天不等的停電狀況。在1989年時發生的一場CME，就造成加拿大東海岸的電網癱瘓了13個小時，使得數百萬人無電可用。

就如同極光出現在極區一樣，磁暴所帶來的負面影響，在地球兩極的區域也最為明顯。

當地磁效度增強時，受影響的區域就會延伸到更低緯度，而卡林頓事件由於影響範圍廣泛而強烈，因此普遍認為這是磁暴最嚴重的一次。

為了提前準備好面臨類似的狀況，太空氣象預報機構（我們將會在後續的篇幅中介紹）就顯得相當重要。

如果卡林頓事件發生在今天，可能造成高達15％的人造衛星永久損毀，地面上許多地區會發生長達數天的大停電，並且可能會成為有史以來，造成最大經濟損失的自然災害。

衛星壞掉了，可以重啟嗎？

太陽閃焰會產生光、加熱電漿以及將粒子加速到高能狀態。受到太陽閃焰加速的質子與電子，行進的方向可能會朝著太陽，也可能會朝向太陽系的其他地方，而形成所謂的「太陽高能粒子」（solar energetic particles）。當這些高能粒子抵達地球時，就會造成太陽輻射風暴。

太陽高能粒子的行進速度略低於光速，因此在觀測到太陽閃焰之後，數分鐘才會抵達地球。

我們的電腦系統是由電路板與許多電子元件組成，並透過電子的運行以執行各種複雜的功能。由於大多數的太陽高能粒子無法穿透地球的大氣層，因此不會對地面上的電腦造成影響，但是人造衛星上的電腦就沒有這樣幸運了。

當來自太陽的電子穿入衛星的電腦硬體後，電腦元件無法區別所接受的電子是來自於其他元件送出的訊號，還是太陽的干擾。這些在電腦中流竄的「突發電子」（rogue electrons）會造成「單粒子翻轉」（single event upsets）而隨機開啟衛星上的某項功能，甚至導致衛星失效（見圖表2-35）。

雖然大多數的情況下，這些干擾可以藉由「電源重啟」（power cycle，將電源關閉後再打開的特殊術語）來排除，然而重新啟動衛星存在著相當大的風險，因為多數衛星在製造時很少測試這種情況，因此有可能再也無法運作。

太陽輻射風暴是來自太陽的高能粒子射線叢，如同驟降的暴雨襲擊地球。

在一些罕見的情況下，太陽高能粒子得以穿透大氣層抵達地面，稱為「地面級事件」（Ground Level Enhancement，GLE），目前有紀錄的次數不多。

當GLE發生時，地球上人類接收的輻射量會增加，甚至達到有害的程度。因此對於沒有大氣層保護的太空人來說，太陽高能粒子的危害就更加顯著，於是便有相關的安全程序，一旦預報即將迎來這類狀況，太空人可以向國際太空站尋求庇護。

在地球上的人類，如果乘坐飛機飛越高緯度地區，那麼機長、機組員與乘客都會接受到較高劑量的輻射，雖然這種情況不會立即導致身體病變，但如果反覆暴露在這種環境，就會增加罹癌的風險，所幸大型的太陽輻射風暴並不常見，因此不會對時常搭飛機的人員或乘客造成重大威脅。

差點引發美國與古巴的戰爭

最後一類的太空氣象稱為無線電中斷，當太陽閃焰產生的強烈X光轟擊外側大氣層時，就會發生這個現象。

X光會傷害身體，因此人在一生當中都應盡可能減少暴露在X光當中。

幸運的是，地球的大氣層會吸收X光，因此太陽閃焰發出的X光不會抵達地球表面，但也正因為吸收了X光的能量，大氣的外層就會升溫而膨脹。雖然大氣層外圍的升溫不會影響地表的溫度，卻會影響我們的通訊系統，這是因為要傳送遠距離的無線電訊號，必須藉由外圍的大氣層（譯註：稱為電離層）來反射無線電波，為不同地點之間的衛星、船舶與飛機提供通訊服務。

當太陽閃焰發生時，如果地球的外圍大氣層因X光影響而膨脹，就會使得無線電波難以有效傳播，這種現象稱為「無線電中斷」（radio blackout），而最嚴重的區域則是在地球的晝側。

在無線電中斷的期間，應用無線電波傳送訊號的技術將難以正常運作，甚至會完全停擺。對於執行軍事行動和救災而言，了解無線電通訊在何種情況下會失效，是至關重要的事情。

例如2017年的9月分，艾瑪颶風重創加勒比海時，地球恰巧遭受一系列大型太陽閃焰的影響，出現無線電中斷的情況，導致救援受到阻礙。

無線電中斷如果發生在國防軍事上，使得決策者無法判斷這究竟是來自太空氣象，抑或是敵方陣營的干擾攻擊，將可能導致非常嚴重的後果。

在古巴飛彈危機最嚴峻的1967年，美國的追蹤系統因為太陽活動而導致無線電中斷，當時軍方的初步判定認為這是敵方進攻的前奏，所幸美國在下令報復反擊之前，科學家意識到這是太陽的傑作，而非敵人的行動。為了避免產生誤判而導致無法挽回的嚴重後果，這件事情也成為美國挹注經費在研究太空氣象的轉捩點。

全球導航衛星系統（Global navigation satellite systems，GNSS），例如由美國營運操作的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）的通訊，也是藉由通過大氣層的無線電波來傳遞。

在太空氣象發生劇烈事件的期間，人造衛星的訊號將受阻而無法傳達到地表，雖然乍聽之下，生活中失去GPS訊號不需要大驚小怪，但是許多領域如航空、船運、急難服務、大型自動化農業生產或採礦，都依賴GPS來運作。

大規模的無線電中斷相當罕見，衛星定位導航的技術從發明至今，我們還沒有經歷過大規模的中斷事件，不過小規模的中斷事件則時有所聞，影響許多倚賴無線電科技的專業用戶。

※ 本文摘自 《近看太陽》，原篇名為〈第２章　太陽底下可還有新鮮事？〉，立即前往試讀►►►