太陽耀斑 圖片來源：pixabay
太陽時不時會產生巨型的粒子或輻射風暴，在地球引發災難性事件。150多年來，研究這些風暴及其影響的科學家們一直很關注1859年的卡林頓事件，認為它是極具代表性的案例。這場太陽風暴向地球磁場發射了大量的能量從而引起了地磁風暴，形成了美麗的極光，卻也引起了電報線路起火燃燒。當時的電子基礎裝置還太過原始，因此人們僅僅把這場風暴當成是某一不知原因的小故障。但隨著1921年爆發了另一場同等規模的風暴，現代科學家才意識到卡林頓事件是未來系列災難的預兆。然而，這兩場風暴的規模與科學家在2012年發現的、發生在約公元775年的超大型風暴相比，可謂是小巫見大巫了，後者的強度大約是前者的10到100倍。來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Nicolas Brehm表示，“這實在太令人震驚了，我們從來沒有想過會出現此等規模的風暴。”
這一超級風暴十分猛烈，科學家認為它可能是由太陽萬年一遇的“超級耀斑”爆發引起的，這種“超級耀斑”要比尋常的太陽耀斑強幾千倍。如若這個“超級耀斑”爆發發生在現在，它將會對全球現代供電系統造成災難性的打擊。幸運的是，此類事件似乎十分少見。但事實是否真的是這樣呢？
也許並不是。研究人員調查了地球近年來的地質化學歷史，找到一些證據證明了另外兩場風暴的存在。
由Brehem領導完成的預印論文已經投遞給《自然·通訊》雜誌，並且可以在Research Square上檢視。科學家們在這篇論文中寫到，他們可能發現了另外兩場強大到可怕的太陽風暴。一場發生在公元前7176年，那時狩獵社會才剛剛轉型為農耕社會，另一場發生在公元前5259年，那時地球前一次的冰河世紀才剛結束。科學家們認為，這兩場風暴的規模與公元775年的那一場相比是有過之而無不及，因此這三場風暴就成為了有記錄以來，人們已知的最強的太陽風暴。過去十年間，科學家們一直在尋找其他類似775年風暴的事件。Brehm的小組是最早成功發現的。來自日本名古屋大學的Fusa Miyake領導了2012年發現775年風暴的研究活動，她稱Brehm小組的發現“是一項偉大的成就”。科學家們現在稱此類超級耀斑爆發為“Miyake事件”。
研究人員需要對北極冰蓋樣本以及沼澤中或山頂上儲存的古老樹木樣本進行化學分析才能探索如此遙遠的歷史。太陽粒子擊中地球的大氣層時會讓各元素進入不穩定的放射態並且不斷積累。對於碳元素來說，太陽活動會產生碳14，而年輪會隨著樹木的增長吸收碳14。由於一圈年輪對應的是樹木一年的增長，而年輪中碳14含量越多就意味著同時期進入大氣的太陽粒子越多，這就讓科學家得以精準確定釋放碳14最多以及太陽活動最劇烈的年份是什麼。來自美國亞利桑那大學樹木年輪研究實驗室的Charlotte Pearson是這篇論文的作者之一，她表示這些年輪“得以讓我們重建以往放射性碳含量的變化模型，而引發其波動的關鍵性因素就是太陽活動”。
年輪分析 圖片來源：pixabay
冰芯中由於含鈹10以及氯36，也能夠實現類似的代表性，但可能沒有那麼準確的測量。結合以上兩種方法，科學家就能夠得出十分準確的歷史事件重現。科學家目前已經掌握了始於大約12 000年前的地質時代全新世大部分時間的年輪資料。然而，透過研究年輪來確定碳14含量激增等事件是十分耗時的，光是一年的資料通常就需要幾周的時間來分析，還需要交叉對比多個年輪樣本。歷史英格蘭科學測年負責人Alexandra Bayliss也是論文的作者之一，她表示，“全新世還有12 000年等著我們去分析，而我們現在僅完成了16%，這一工作不僅耗時而且耗錢。”
Brehm和他的小組比較幸運。在對公元前7176事件的研究之中，他們先發現了冰芯中的鈹10含量激增，從而初步證明了風暴的存在。接著又對年輪進行研究，發現了與之對應的碳14含量的激增。而在對公元前5259事件的研究之中，貝利斯注意到這一時期的考古資料出現了斷層，因此小組成員開始研究該時期對應的年輪中的碳14含量資料，並發現了另一次含量激增現象。Brehm表示他們在兩個時間點“都發現了含量的激增”，而兩次增加的幅度都和Miyake確定的775年事件時所研究的樣本含量增加幅度類似。
跟隨Miyake 2012年論文的思路，科學家最初並不能確定是什麼引起了放射性元素含量的激增，甚至還有些人認為太陽活動根本是不可能發生的。然而在2013年，由來自美國沃什本大學的Brian Thomas領導完成的一篇論文則指出太陽耀斑應該是罪魁禍首。Thomas並沒有參與到Brehm及同事最新發表的論文中來，他表示“有人認為775年事件的含量激增是由超新星爆炸或者伽馬射線暴引起的，但這兩種的情況都十分少見，並不匹配含量激增事件發生的高頻率，而且這種理論也沒有太陽活動理論合理”。Thomas認為，這樣頻繁的大幅度含量增加更可能是由劇烈的太陽活動伴隨著強於卡林頓事件的地磁風暴引起的。Bayliss指出，“卡林頓事件甚至無法從年輪以及冰芯中放射性元素的含量變化上看出，足以證明相比於775年事件，卡林頓事件的規模是較小的”。
然而，太陽粒子數量激增與伴隨出現的地磁風暴的強度之間的關係也並不明瞭。Thomas表示，“大型的粒子拋射事件往往伴隨著地磁風暴，但是兩者之間並沒有必然的聯絡”，也有可能類似於卡林頓事件的地磁風暴並不能引起碳14的含量激增，這也就解釋了為什麼年輪和冰芯中放射性元素含量並沒有出現變化。但科學家已經找到了一些線索，根據中國方面的記載，775年事件中曾經出現過強大的極光，意味著在太陽粒子湧向地球的同時也存在著一場強大的地磁風暴。Thomas表示“‘所有事件都是發生了大型的地磁風暴’是更合理的假設”。
如果兩者之間確有聯絡，那將意味著單是在過去的1萬年間，地球就經歷了至少三場太陽耀斑風暴（科學家們有可能在剩下4/5尚未進行碳14含量分析的年輪之中找到更多的證據）。Pearson表示“過去1萬年間只發生了1場風暴並不太現實，可能在此之前人們只知道一場，但是現在我們又發現了兩場，這並不讓人感到意外，只是讓人感到擔憂”。
人們主要擔憂的是如果現在再發生類似的事件，繞地衛星和地面基礎設施將會遭到災難性的打擊。在1989年3月，一場威力甚至比卡林頓事件還要弱的地磁風暴卻造成了魁北克全省電網超載並引發了長達12小時的斷電。如今，一場“Miyake事件”引發的地磁風暴很有可能造成更大規模的電網故障、衛星故障等。
電線體系 圖片來源：pixabay
來自於美國加利福尼亞大學歐文分校的Sangeetha Abdu Jyothi透過計算得出，如果規模等同於卡林頓事件的風暴發生在現在，它將引起“網際網路災難”。風暴中的能量粒子會破壞各國間的海下電纜，造成數週甚至數月的網際網路交流故障。Abdu Jyothi估計，在這樣的災難影響下，光是美國在1天內就會損失70億美元。如若有類似Miyake事件這樣更強的風暴發生，損失將變得無法估量。Abdu Jyothi表示“如果風暴只是卡林頓事件的強度，那麼它並不會造成資料損失，我們也能夠很快從災難之中恢復過來。但如果風暴強度是其10倍甚至100倍就說不準了。應該沒有人模擬過這樣的情況。我估計資料會大量遺失，個人記錄、銀行資訊以及重要的健康資訊全都找不回來了”。
就目前看來， Miyake事件再次爆發進而讓世界文明重回黑暗時代的可能性是很小的。但是有些預測指出，在未來10年裡，類似卡林頓事件的風暴的發生機率高達12%。我們可以提前做好準備，監測太陽活動並在太陽耀斑以及地磁風暴到達之前關閉衛星以及電網。但在更強大的Miyake事件面前，想要減小風暴的影響是十分困難的。隨著我們在古老的年輪以及冰芯之中找到更多其他極端事件的證據，在不久的未來發生類似事件的可能性也不應該被忽視。Thomas表示“我們現在才開始意識到太陽要遠比我們想象的活躍。人們在研究其他恆星的耀斑時會討論太陽是否也有著相同的情況。從歷史記錄來看，太陽的確有著這樣的能力，人們的擔憂並不是沒有道理”。
撰文：Jonathan O'Callaghan
翻譯：先雨
審校：殷姝雅
引進來源：科學美國人
