第一章 一千顆太陽的光

如果一場劇烈的太陽風暴襲擊地球，那會如何？

1859年9月1日，英國。過幾分鍾就到正午了，理查德·C. 卡林頓（Richard C. Carrington）和平常一樣在觀測太陽。房間裏很暗，沾有淡黃色顏料的玻璃板上有一個圓盤在發光，這便是房間內唯一的光亮。陽光太強烈了，不能直接觀測，所以卡林頓在天文望遠鏡上放了一塊茶色玻璃板，這樣能減弱太陽光的強度。他將望遠鏡從窗戶遮陽板上的一個洞裏伸出去，對準太陽。太陽光並不是透過目鏡射進來的，而是投影在房間中央的一塊屏幕上，接著，那上麵便出現一幅模糊的放大版太陽圖像，這樣他就可以觀察自己感興趣的東西了——太陽黑子。太陽黑子是太陽上溫度較低的區域，也正因此，它們比周圍區域更暗一些。屏幕上的投影有助於他精確繪製黑子的形狀，而計時器和一些參照線則能幫助他測量這些黑子的運動軌跡。6年來，卡林頓每天都忙著記錄所有能看見的黑子的數目、形狀、大小、持續時間以及位置，他非常有耐心。

忽然，他被一件不同尋常的事情吸引住了：在一大群深色斑點中——它們的直徑大約有100 000千米，和木星差不多——有兩個特別亮。這兩個斑點亮得出奇，以至卡林頓懷疑，是不是濾鏡破了個洞。他迅速檢查後，卻發現哪裏都沒壞。他意識到自己見證了一起特殊事件，於是趕緊跑出去想找人過來看。1分鍾後，他就帶了個人回來充當證人，可他卻失望地發現，斑點亮度已經大大降低。這些閃亮的光斑才出現5分鍾就徹底消失了。卡林頓將事件經過的時間點詳細記錄下來，還將腦海中浮現出的當時的太陽表麵圖也畫了出來。就這麽一會兒工夫，這兩個亮斑竟移動了50 000多千米！這位天文學家繼續觀察太陽，焦急地等待了一個多小時，希望神秘的“耀斑”（brillamento）再次出現，但他並沒有等到。另一位天文學家，理查德·霍奇森（Richard Hodgson）也觀測到了同樣的現象。霍奇森是將望遠鏡裝上太陽濾鏡後，直接透過目鏡看到的。他用炭筆把看到的景象畫在了紙上。兩位天文學家都將這次奇異事件上報了英國皇家天文學會（Royal Astronomical Society）。

9月2日淩晨4點，距離卡林頓和霍奇森觀測到耀斑剛剛過去18個小時，我們的地球遭遇了史上最大的磁暴（tempesta geomagnetica）。北極光一直延伸到加勒比海地區，喚醒了落基山脈上的礦工，他們還以為是日出。那會兒的波士頓正是深夜，卻亮得能看清報紙。幾乎全世界都能看見一道血紅色的光：澳大利亞、墨西哥、意大利、日本、中國，甚至哥倫比亞都能看到。前幾天也發生過幾回磁暴，當時通信線路受到嚴重阻礙，並且也出現了極光現象。可這一次卻非同一般：有些電報員剛碰到電報機就觸電了，電線冒出火花，甚至熔化了；一些電台在沒有電池的情況下，利用地磁風暴產生的電流成功發出了電報；一些電磁鍾在半夜裏無緣無故響了起來。卡林頓第一個猜測，當天發生的事情和他前一天觀測到的現象之間存在某種聯係。因此，今天人們以他的名字命名那次磁暴：卡林頓事件。

地球與太陽的聯係十分緊密，不光體現在太陽為地球帶來光明、地球和太陽之間存在引力。實際上，我們整個地球都沉浸在太陽的磁場裏。太陽表層不斷生出一些粒子，這些粒子本身帶有電荷，在太陽磁場的邊界流動。它們構成一串粒子流，就像一陣“風”，真的，這是一陣可以吹到地球上每個角落的“風”：太陽風。這些粒子1秒鍾能移動400多千米，1小時大約可以移動1 500 000千米，它們對生命有很大威脅。不過，我們的地球受到良好的保護：它的磁場充當著盾牌的作用，能讓太陽風中的這些粒子轉變方向，這樣就能為地球上的生命提供一個安全的成長環境了。其他岩質行星就沒這麽幸運了：金星和火星完全沒有磁場，被太陽風無情地攻擊；水星雖然有磁場，但是很微弱。而要進入地球的大氣層，太陽風中的帶電粒子隻能通過兩個點：地磁兩極。這兩個磁極有點兒像漏鬥，它們把太陽風導向地球表麵。當太陽風中的粒子觸及高層大氣時，那些氣體就會閃閃發光，這便是極光。然而，如果太陽風再劇烈一些，移動得再快一點，我們的磁場盾牌就難以招架它的攻勢了，會收縮起來。最後，這些粒子會進一步深入我們的大氣層，極光會向南方移動，還伴有強大的電流進入地殼。這些連鎖事件合起來便稱為“磁暴”。這完全是一種自然現象，早在原始海洋生物時期就已存在。

我們的太陽在大部分時間裏是寬宏仁慈的，它承載著光、熱和生命，但並不像亞裏士多德認為的那樣永恒不變。1859年卡林頓事件過後不久，人們發現，太陽黑子的活動大約以11年為周期：它們出現在太陽極點附近，向赤道移動，然後消失，在這整個過程中它們的數量和強度都在增加。它們每出現一次，太陽的磁場就會發生一次翻轉，北磁極變成南磁極，南磁極變成北磁極。這是因為太陽的自轉：不同於地球這一固態天體，太陽像一個巨大的灼熱氣態球，因此，它的轉動規律非常奇特，赤道附近的轉動速度要大於兩極地區的轉動速度，且速度差十分明顯——太陽在赤道處自轉一周需要23天，而在兩極附近，自轉周期最高可達38天。這奇怪的自轉方式導致太陽磁場受熾熱氣體的牽引，自身扭曲起來，在某些地方發生變形。然後，太陽表麵會噴發出一些壯觀的等離子弧（archi di plasma），它們的溫度非常高，寬度甚至能達數十萬千米。這就像是太陽內部的磁場如同疝氣一樣鼓了出來。這些等離子弧接觸到太陽表麵時，會產生一個太陽黑子，也就是比太陽表麵其他區域更冷、更暗的一塊區域。這些黑子由多個磁場混雜而成，不穩定，儲存著巨大能量，就像拉滿的彈簧。等離子弧斷裂時，其中的能量就會被突然釋放出來，這個過程叫“磁重聯”（riconnessione magnetica）。這一現象規模之大，人腦是難以想象的：相當於數十億顆原子彈同時爆炸。這便是太陽風暴。

這部宇宙版“啟示錄”的第一位騎士是光[1]，磁重聯發生點附近的氣體會被迅速加熱到一個非常高的溫度，讓它變得極亮：這便是耀斑，在英文裏稱“flare”。隻需要8分鍾，耀斑的光便會和普通的太陽光一起到達地球，不會有任何提前通知。強烈的X射線流會導致地球高層大氣發生電離，也就是使大氣層高層氣體帶上電荷，從而擾亂無線電遠程通信，讓通信變得非常困難，甚至導致無線電中斷。耀斑的這些影響持續時間很短，幾個小時內一切便會恢複正常。卡林頓觀測到的耀斑非常強烈，所以肉眼才能直接看見，這種情況豈止是罕見，簡直是獨一無二。此外，X射線輻射會加熱大氣層最外麵的幾層氣體，導致那些氣體膨脹，區域麵積擴大，使低軌道衛星遭受的空氣摩擦力增大。摩擦增大又會加速這些衛星的軌道衰減（decadimento orbitale）。軌道衰減是難以預測的，它可能導致衛星墜落於大氣層中，正如1978年墜落的軍用衛星“Kosmos954”，以及1979年墜毀的第一座美國空間站“天空實驗室”（Skylab）。

“啟示錄”的第二位騎士是具有高能量的粒子，比如電子和質子。實際上，那些強烈的耀斑會引發大量高能粒子的移動，這些粒子順著太陽風，會在耀斑爆發後幾分鍾到幾小時之內迅速到達地球。需要特別注意的是質子：它們的總量遠大於電子總量，地球磁場無法讓其轉向，因此，它們能夠深入地球內部，這將導致高層大氣進一步電離，最初由X射線引發的無線電中斷也會因此延長數天時間。還沒完呢，太陽質子同時也是導致宇航員和在軌衛星上電子設備遭遇輻射傷害的一大原因。這些質子聚集在金屬表麵，如果某個在軌衛星迸出了一點火花，那這個衛星可能真的會被燒焦。在非常嚴重的情況下，國際空間站的宇航員甚至不得不躲到一個特定艙去，因為那裏有更強的屏障保護。人們乘坐的航班也會暴露在高能粒子中，因此有明文規定，在質子事件特別嚴重時，要減少航班數量。

“啟示錄”的第三位騎士是日冕物質拋射（eruzione coronale di massa），這是最可怕的。如果某些物質被困在太陽磁場中，偏偏此時又發生日冕物質拋射，那這些物質就會被迅速“擊斃”於太空中。日冕物質拋射是一團粒子雲，這些粒子順著太陽風一起移動，大約3天時間後抵達地球，但在質子事件特別強烈的情況下，它們的速度可以達到3000千米/秒，在短短幾個小時內就能到達地球。這一現象才是卡林頓事件真正的罪魁禍首。拋射的物質觸及地球磁場時，會像擠檸檬一樣擠壓地球磁場，誘發地磁風暴，將巨大電流引入地殼之中，即地磁感應電流（correnti geomagneticamente indotte）。這些感應電流會摧毀人類文明。日冕物質拋射這一現象早就存在，其存在曆史和地球以及地球上的生命一樣久遠，地球並不怕它。但現在，人類不再是一種普通的動物了，我們發明了新東西：科技。今天，人類社會整個結構都建立在兩個重要的網絡係統之上：一個是能源網，一個是信息網。數百萬千米的金屬電纜將電流從發電處傳輸到用電處；而數百萬千米的越洋電纜，則使地球上遙遙相對的地方也能實現瞬間通信。電子幾乎已成為我們不可缺少的東西，而這兩個網絡係統就像一把雙刃劍：它們引導、傳輸大量能量和數據時堪稱完美，但與此同時，它們簡直就是地磁感應電流的“高速公路”。一個電子的能量微不足道，但一條地磁感應電流卻能達到數百萬安培，地球上的基礎設施可扛不住這樣的衝擊。

1859年電氣技術尚處於起步階段，卡林頓事件導致的最嚴重後果無非是一些電報線路無法再使用、一些電報員受到了驚嚇，但放在今天，情況可就大不相同了。一次卡林頓事件幾乎能徹底毀壞地球兩極附近的電網，導致整個區域斷電。這些電網的弱點在於變壓器，地磁感應電流會破壞數千個變壓器，且一經破壞便不可修複。想想看，光是替換一個變壓器通常就需要好幾個月，這還是在備用零件都齊全的情況下，那麽可想而知，一次類似事件發生在今天會導致什麽樣的後果。人類社會的另一個致命弱點是衛星通信。一場和1859年同樣規模的太陽風暴，或將壓縮地球磁場，導致地球向陽一側的在軌衛星不得不直麵太陽風和帶電質子，這些衛星真的會被燒焦。這簡直是個噩夢，特別是其導致的斷電和通信中斷可能會持續數年之久。受到影響的區域也許會退回到19世紀，因為基礎設施的修複時間十分漫長。斷電意味著什麽呢，比方說，我們將沒有多餘的電用來儲存食物、保持供水係統和醫療設備的運轉，以及保障手機的使用。

近來，太陽已經讓我們嚐到了它的威力，知道了它有多大能耐對付我們的科技，也因此，我們有機會學習如何做出反應。比如1989年的魁北克事件：那年3月6日，出現了一顆能量巨大的耀斑，它是當時觀測史上最大的一顆。三天後，耀斑引發了一次劇烈的日冕物質拋射，拋射的物質於3月13日到達地球。這次磁暴非常強烈：就連美國得克薩斯州的人都看見了極光（得克薩斯州與德國位於同一緯度），但是，後果最嚴重的是加拿大的魁北克。當晚，地磁感應電流流入當地的長距離輸電線中，變壓器和保險絲被燒毀了，整個魁北克連續9小時處於黑暗之中。不少衛星失去控製或出現異常，“發現號”航天飛機也未能幸免，它正好在風暴來臨時發射升空。這次事件讓配電公司開始研究方略以應對同類事件，以及控製可能造成的損失。我們挺過的另一場危機是眾所周知的2003年“萬聖節風暴”。2003年10月18日至11月4日，太陽上出現了12個超大規模的耀斑，其中一個是太空探索史上記載的最強烈的耀斑，直到今天這個紀錄也沒有被打破。更糟糕的是，繼10月28日至29日這些耀斑出現後，萬聖節當晚又出現了一場太陽風暴，這場太陽風暴使許多衛星遭遇重重困難，還導致瑞士停電1小時。不過，我們躲過的最致命的一次太陽風暴發生在2012年7月23日。我們不知道那顆耀斑的強度有多大，因為在地球上看不見產生該耀斑的太陽黑子，但人們觀測到它朝著火星拋射了雙倍的日冕物質，這就表明，那場太陽風暴的強度很可能堪比卡林頓事件。如果這次拋射提前9天發生，那麽整個地球都將受到衝擊。要估算這場太陽風暴造成的損失十分困難，僅美國各州就損失了6000億至26 000億美元，4000萬人遭遇斷電、通信中斷，而且修複這些電網花費了10年時間。

幸運的是，今天的我們不再是毫無防備了。許多衛星在持續監測太陽，並且還誕生了一個新的學科來研究太陽——空間天氣學（meteorologia spaziale），它負責研究日冕物質拋射和與之相關的現象特點並預測發生時間。我們也在提高電網對地磁感應電流峰值的抵抗能力，比如在高壓線上裝設控製係統，給變壓器安裝保護線路，給衛星裝配軟件以實現自我保護等。

可以說，我們已經或者差不多準備好迎接下一次卡林頓事件了，我們知道應該做什麽，並且仍在努力優化基礎設施的防護性能。可是沒有人知道，我們的太陽會不會引發比卡林頓事件殺傷力更大的天文事件。

於是，古生物學家和地質學家也加入進來，幫助太**理學家。科學家們在考古工作中發現，一類非常有名的碳同位素——14C的濃度變化異常。這個原子表現得和普通碳原子並無二致，隻不過它具有放射性。每一秒都有粒子從宇宙和太陽來到地球，並在大氣層引發核反應，14C便產生於此。活著的生物會將其吸收進入自己的組織，但在死亡後，生物體便會停止與外界交換碳元素，因此，其體內的14C數量會開始減少。如果知道14C的半衰期，以及大氣中有多少14C，就能非常精準地計算出古生物的死亡時間，哪怕這個生物是在幾萬年前死亡的。這正是太**理學家所感興趣的東西。事實上人們發現，774年至775年間，地質沉積物中的14C有所增加，但原因不詳。同時，有許多史料提到，當時英國的天空上出現了彩色條帶和紅色十字架，中國還盛傳蛇的故事。導致這些事件最可能的原因是太陽耀斑，一個比卡林頓事件中的耀斑還要強10倍的耀斑。另一起類似事件沒有這麽強烈，據估測發生在993年，當時是維京時代。最近還發現，公元前660年也出現過一次類似事件。這些考證參考的書麵記載資料可追溯到亞述人[2]（assyrians）時期。而774年發生的太陽耀斑應該是近11 000年以來地球遭遇過的最強烈的一次。

至於研究太陽在更久遠的時代裏有何表現，那是不太可能的：我們自身在地球上存在的時間如此短暫，發展出科學思維的時間則更短。而且，越極端的事件越罕見，觀測需要等待的平均時間也就越長。為了解決這些問題，太**理學家和天文學家將注意力轉移到與太陽相似的恒星上，觀察了數百個乃至數千個恒星。這樣一來，再罕見的事件都變成了尋常事件。可他們的發現一點也不讓人安心。

許多（幾乎所有）類似太陽的恒星，都過著相當平靜的生活。這些恒星的活動幾乎都表現出周期性的規律，它們產生的耀斑比較強烈，但最強時也不會超過卡林頓事件的強度。不過有些星體就表現得比較反常了，它們幾乎與太陽完全一樣，有著極端的周期性活動，產生的耀斑能覆蓋自身表麵很大一部分區域，即超級耀斑（superflares）。借助開普勒太空望遠鏡，天文學家發現了比卡林頓事件中的耀斑還要強10 000倍的耀斑，它們來自看似不具破壞性的恒星。最強烈的耀斑來自天爐座的S恒星，根據曆史記載，1899年它爆發了一顆耀斑，比卡林頓事件強烈100萬倍。很難想象這種級別的耀斑強度究竟有多大，更難想象它出現在太陽上將給地球帶來多大影響。

我們想象一下，一顆類似天爐座耀斑的超級耀斑出現在此時此刻。8分鍾過後，它的光就到了地球，正處於白天的人會看見太陽光線增強100倍，並在一瞬間死去。所有能燃燒的東西都會立即著火。接下來幾秒內，臭氧層因受到X射線的輻射而化為烏有，然後X射線便會接觸地球表麵。隻需要幾分鍾，高能質子就會與燒焦的表麵碰撞，消滅地球表麵的一切生物。很快，最後一擊就會到來——日冕物質拋射。它將帶來毀滅性的衝擊，地球磁場會被損毀，太陽風會破壞大氣層，讓大氣彌散於太空中，並將尚未化為灰燼的物體也都全部消滅。海洋裏的水也會蒸發升入宇宙的真空裏。從耀斑開始到結束，隻需6個小時，地球表麵的任何生物都將不複存在。有一些岩石在超級耀斑下的暴露時間更長，它們的表麵會熔化，而後現出一層薄薄的玻璃，成為一顆宛如水星般的行星。

幸運的是，太陽無力引發這一類事件。天爐座的S恒星幾乎是特例，它能在短短幾天內連續發動數十次此類事件。因此，“越強烈的耀斑越少見”這一說法並不成立。另外，假設太陽有能力引發這類可怕事件，那我們應該可以在太陽係中任意一處找到相應的痕跡，然而並沒有，否則，地球將不可能是我們現在認識的這個樣子。毫無疑問，我們的太陽迄今為止，還沒有引發過如此劇烈的事件，也沒有證據顯示它會改變習性。就我們目前掌握的信息來看，沒必要像卡林頓事件發生時那樣，假想出各種超級耀斑可能導致的災難場景。可以肯定，超級耀斑十分尋常，每隔幾百年就會重複一次，但對於太陽在更久遠的年代裏有何活動表現，我們依舊知之甚少。我們唯一能做的是完善預測工具，如太**理學和空間天氣學，同時要采取預防措施為遭遇類似事件做準備。這和麵對地震沒太大區別：問題不在於是否，而在於何時發生下一次卡林頓事件。直到了那一天，我們不用去冰島也能欣賞一場極光盛景。

[1] 《啟示錄》是《聖經》的一部分，文中用來指代“世界末日”。“四騎士”傳統上分別被解釋為瘟疫、戰爭、饑荒和死亡，文中指給地球帶來災難的宇宙物質。——譯者注（如無特殊說明，均為譯者注）

[2] 曾生活在兩河流域的一支閃米特人，建立了亞述帝國。——編者注