第一章 一千颗太阳的光

如果一场剧烈的太阳风暴袭击地球，那会如何？

1859年9月1日，英国。过几分钟就到正午了，理查德·C. 卡林顿（Richard C. Carrington）和平常一样在观测太阳。房间里很暗，沾有淡黄色颜料的玻璃板上有一个圆盘在发光，这便是房间内唯一的光亮。阳光太强烈了，不能直接观测，所以卡林顿在天文望远镜上放了一块茶色玻璃板，这样能减弱太阳光的强度。他将望远镜从窗户遮阳板上的一个洞里伸出去，对准太阳。太阳光并不是透过目镜射进来的，而是投影在房间中央的一块屏幕上，接着，那上面便出现一幅模糊的放大版太阳图像，这样他就可以观察自己感兴趣的东西了——太阳黑子。太阳黑子是太阳上温度较低的区域，也正因此，它们比周围区域更暗一些。屏幕上的投影有助于他精确绘制黑子的形状，而计时器和一些参照线则能帮助他测量这些黑子的运动轨迹。6年来，卡林顿每天都忙着记录所有能看见的黑子的数目、形状、大小、持续时间以及位置，他非常有耐心。

忽然，他被一件不同寻常的事情吸引住了：在一大群深色斑点中——它们的直径大约有100 000千米，和木星差不多——有两个特别亮。这两个斑点亮得出奇，以至卡林顿怀疑，是不是滤镜破了个洞。他迅速检查后，却发现哪里都没坏。他意识到自己见证了一起特殊事件，于是赶紧跑出去想找人过来看。1分钟后，他就带了个人回来充当证人，可他却失望地发现，斑点亮度已经大大降低。这些闪亮的光斑才出现5分钟就彻底消失了。卡林顿将事件经过的时间点详细记录下来，还将脑海中浮现出的当时的太阳表面图也画了出来。就这么一会儿工夫，这两个亮斑竟移动了50 000多千米！这位天文学家继续观察太阳，焦急地等待了一个多小时，希望神秘的“耀斑”（brillamento）再次出现，但他并没有等到。另一位天文学家，理查德·霍奇森（Richard Hodgson）也观测到了同样的现象。霍奇森是将望远镜装上太阳滤镜后，直接透过目镜看到的。他用炭笔把看到的景象画在了纸上。两位天文学家都将这次奇异事件上报了英国皇家天文学会（Royal Astronomical Society）。

9月2日凌晨4点，距离卡林顿和霍奇森观测到耀斑刚刚过去18个小时，我们的地球遭遇了史上最大的磁暴（tempesta geomagnetica）。北极光一直延伸到加勒比海地区，唤醒了落基山脉上的矿工，他们还以为是日出。那会儿的波士顿正是深夜，却亮得能看清报纸。几乎全世界都能看见一道血红色的光：澳大利亚、墨西哥、意大利、日本、中国，甚至哥伦比亚都能看到。前几天也发生过几回磁暴，当时通信线路受到严重阻碍，并且也出现了极光现象。可这一次却非同一般：有些电报员刚碰到电报机就触电了，电线冒出火花，甚至熔化了；一些电台在没有电池的情况下，利用地磁风暴产生的电流成功发出了电报；一些电磁钟在半夜里无缘无故响了起来。卡林顿第一个猜测，当天发生的事情和他前一天观测到的现象之间存在某种联系。因此，今天人们以他的名字命名那次磁暴：卡林顿事件。

地球与太阳的联系十分紧密，不光体现在太阳为地球带来光明、地球和太阳之间存在引力。实际上，我们整个地球都沉浸在太阳的磁场里。太阳表层不断生出一些粒子，这些粒子本身带有电荷，在太阳磁场的边界流动。它们构成一串粒子流，就像一阵“风”，真的，这是一阵可以吹到地球上每个角落的“风”：太阳风。这些粒子1秒钟能移动400多千米，1小时大约可以移动1 500 000千米，它们对生命有很大威胁。不过，我们的地球受到良好的保护：它的磁场充当着盾牌的作用，能让太阳风中的这些粒子转变方向，这样就能为地球上的生命提供一个安全的成长环境了。其他岩质行星就没这么幸运了：金星和火星完全没有磁场，被太阳风无情地攻击；水星虽然有磁场，但是很微弱。而要进入地球的大气层，太阳风中的带电粒子只能通过两个点：地磁两极。这两个磁极有点儿像漏斗，它们把太阳风导向地球表面。当太阳风中的粒子触及高层大气时，那些气体就会闪闪发光，这便是极光。然而，如果太阳风再剧烈一些，移动得再快一点，我们的磁场盾牌就难以招架它的攻势了，会收缩起来。最后，这些粒子会进一步深入我们的大气层，极光会向南方移动，还伴有强大的电流进入地壳。这些连锁事件合起来便称为“磁暴”。这完全是一种自然现象，早在原始海洋生物时期就已存在。

我们的太阳在大部分时间里是宽宏仁慈的，它承载着光、热和生命，但并不像亚里士多德认为的那样永恒不变。1859年卡林顿事件过后不久，人们发现，太阳黑子的活动大约以11年为周期：它们出现在太阳极点附近，向赤道移动，然后消失，在这整个过程中它们的数量和强度都在增加。它们每出现一次，太阳的磁场就会发生一次翻转，北磁极变成南磁极，南磁极变成北磁极。这是因为太阳的自转：不同于地球这一固态天体，太阳像一个巨大的灼热气态球，因此，它的转动规律非常奇特，赤道附近的转动速度要大于两极地区的转动速度，且速度差十分明显——太阳在赤道处自转一周需要23天，而在两极附近，自转周期最高可达38天。这奇怪的自转方式导致太阳磁场受炽热气体的牵引，自身扭曲起来，在某些地方发生变形。然后，太阳表面会喷发出一些壮观的等离子弧（archi di plasma），它们的温度非常高，宽度甚至能达数十万千米。这就像是太阳内部的磁场如同疝气一样鼓了出来。这些等离子弧接触到太阳表面时，会产生一个太阳黑子，也就是比太阳表面其他区域更冷、更暗的一块区域。这些黑子由多个磁场混杂而成，不稳定，储存着巨大能量，就像拉满的弹簧。等离子弧断裂时，其中的能量就会被突然释放出来，这个过程叫“磁重联”（riconnessione magnetica）。这一现象规模之大，人脑是难以想象的：相当于数十亿颗原子弹同时爆炸。这便是太阳风暴。

这部宇宙版“启示录”的第一位骑士是光[1]，磁重联发生点附近的气体会被迅速加热到一个非常高的温度，让它变得极亮：这便是耀斑，在英文里称“flare”。只需要8分钟，耀斑的光便会和普通的太阳光一起到达地球，不会有任何提前通知。强烈的X射线流会导致地球高层大气发生电离，也就是使大气层高层气体带上电荷，从而扰乱无线电远程通信，让通信变得非常困难，甚至导致无线电中断。耀斑的这些影响持续时间很短，几个小时内一切便会恢复正常。卡林顿观测到的耀斑非常强烈，所以肉眼才能直接看见，这种情况岂止是罕见，简直是独一无二。此外，X射线辐射会加热大气层最外面的几层气体，导致那些气体膨胀，区域面积扩大，使低轨道卫星遭受的空气摩擦力增大。摩擦增大又会加速这些卫星的轨道衰减（decadimento orbitale）。轨道衰减是难以预测的，它可能导致卫星坠落于大气层中，正如1978年坠落的军用卫星“Kosmos954”，以及1979年坠毁的第一座美国空间站“天空实验室”（Skylab）。

“启示录”的第二位骑士是具有高能量的粒子，比如电子和质子。实际上，那些强烈的耀斑会引发大量高能粒子的移动，这些粒子顺着太阳风，会在耀斑爆发后几分钟到几小时之内迅速到达地球。需要特别注意的是质子：它们的总量远大于电子总量，地球磁场无法让其转向，因此，它们能够深入地球内部，这将导致高层大气进一步电离，最初由X射线引发的无线电中断也会因此延长数天时间。还没完呢，太阳质子同时也是导致宇航员和在轨卫星上电子设备遭遇辐射伤害的一大原因。这些质子聚集在金属表面，如果某个在轨卫星迸出了一点火花，那这个卫星可能真的会被烧焦。在非常严重的情况下，国际空间站的宇航员甚至不得不躲到一个特定舱去，因为那里有更强的屏障保护。人们乘坐的航班也会暴露在高能粒子中，因此有明文规定，在质子事件特别严重时，要减少航班数量。

“启示录”的第三位骑士是日冕物质抛射（eruzione coronale di massa），这是最可怕的。如果某些物质被困在太阳磁场中，偏偏此时又发生日冕物质抛射，那这些物质就会被迅速“击毙”于太空中。日冕物质抛射是一团粒子云，这些粒子顺着太阳风一起移动，大约3天时间后抵达地球，但在质子事件特别强烈的情况下，它们的速度可以达到3000千米/秒，在短短几个小时内就能到达地球。这一现象才是卡林顿事件真正的罪魁祸首。抛射的物质触及地球磁场时，会像挤柠檬一样挤压地球磁场，诱发地磁风暴，将巨大电流引入地壳之中，即地磁感应电流（correnti geomagneticamente indotte）。这些感应电流会摧毁人类文明。日冕物质抛射这一现象早就存在，其存在历史和地球以及地球上的生命一样久远，地球并不怕它。但现在，人类不再是一种普通的动物了，我们发明了新东西：科技。今天，人类社会整个结构都建立在两个重要的网络系统之上：一个是能源网，一个是信息网。数百万千米的金属电缆将电流从发电处传输到用电处；而数百万千米的越洋电缆，则使地球上遥遥相对的地方也能实现瞬间通信。电子几乎已成为我们不可缺少的东西，而这两个网络系统就像一把双刃剑：它们引导、传输大量能量和数据时堪称完美，但与此同时，它们简直就是地磁感应电流的“高速公路”。一个电子的能量微不足道，但一条地磁感应电流却能达到数百万安培，地球上的基础设施可扛不住这样的冲击。

1859年电气技术尚处于起步阶段，卡林顿事件导致的最严重后果无非是一些电报线路无法再使用、一些电报员受到了惊吓，但放在今天，情况可就大不相同了。一次卡林顿事件几乎能彻底毁坏地球两极附近的电网，导致整个区域断电。这些电网的弱点在于变压器，地磁感应电流会破坏数千个变压器，且一经破坏便不可修复。想想看，光是替换一个变压器通常就需要好几个月，这还是在备用零件都齐全的情况下，那么可想而知，一次类似事件发生在今天会导致什么样的后果。人类社会的另一个致命弱点是卫星通信。一场和1859年同样规模的太阳风暴，或将压缩地球磁场，导致地球向阳一侧的在轨卫星不得不直面太阳风和带电质子，这些卫星真的会被烧焦。这简直是个噩梦，特别是其导致的断电和通信中断可能会持续数年之久。受到影响的区域也许会退回到19世纪，因为基础设施的修复时间十分漫长。断电意味着什么呢，比方说，我们将没有多余的电用来储存食物、保持供水系统和医疗设备的运转，以及保障手机的使用。

近来，太阳已经让我们尝到了它的威力，知道了它有多大能耐对付我们的科技，也因此，我们有机会学习如何做出反应。比如1989年的魁北克事件：那年3月6日，出现了一颗能量巨大的耀斑，它是当时观测史上最大的一颗。三天后，耀斑引发了一次剧烈的日冕物质抛射，抛射的物质于3月13日到达地球。这次磁暴非常强烈：就连美国得克萨斯州的人都看见了极光（得克萨斯州与德国位于同一纬度），但是，后果最严重的是加拿大的魁北克。当晚，地磁感应电流流入当地的长距离输电线中，变压器和保险丝被烧毁了，整个魁北克连续9小时处于黑暗之中。不少卫星失去控制或出现异常，“发现号”航天飞机也未能幸免，它正好在风暴来临时发射升空。这次事件让配电公司开始研究方略以应对同类事件，以及控制可能造成的损失。我们挺过的另一场危机是众所周知的2003年“万圣节风暴”。2003年10月18日至11月4日，太阳上出现了12个超大规模的耀斑，其中一个是太空探索史上记载的最强烈的耀斑，直到今天这个纪录也没有被打破。更糟糕的是，继10月28日至29日这些耀斑出现后，万圣节当晚又出现了一场太阳风暴，这场太阳风暴使许多卫星遭遇重重困难，还导致瑞士停电1小时。不过，我们躲过的最致命的一次太阳风暴发生在2012年7月23日。我们不知道那颗耀斑的强度有多大，因为在地球上看不见产生该耀斑的太阳黑子，但人们观测到它朝着火星抛射了双倍的日冕物质，这就表明，那场太阳风暴的强度很可能堪比卡林顿事件。如果这次抛射提前9天发生，那么整个地球都将受到冲击。要估算这场太阳风暴造成的损失十分困难，仅美国各州就损失了6000亿至26 000亿美元，4000万人遭遇断电、通信中断，而且修复这些电网花费了10年时间。

幸运的是，今天的我们不再是毫无防备了。许多卫星在持续监测太阳，并且还诞生了一个新的学科来研究太阳——空间天气学（meteorologia spaziale），它负责研究日冕物质抛射和与之相关的现象特点并预测发生时间。我们也在提高电网对地磁感应电流峰值的抵抗能力，比如在高压线上装设控制系统，给变压器安装保护线路，给卫星装配软件以实现自我保护等。

可以说，我们已经或者差不多准备好迎接下一次卡林顿事件了，我们知道应该做什么，并且仍在努力优化基础设施的防护性能。可是没有人知道，我们的太阳会不会引发比卡林顿事件杀伤力更大的天文事件。

于是，古生物学家和地质学家也加入进来，帮助太阳物理学家。科学家们在考古工作中发现，一类非常有名的碳同位素——14C的浓度变化异常。这个原子表现得和普通碳原子并无二致，只不过它具有放射性。每一秒都有粒子从宇宙和太阳来到地球，并在大气层引发核反应，14C便产生于此。活着的生物会将其吸收进入自己的组织，但在死亡后，生物体便会停止与外界交换碳元素，因此，其体内的14C数量会开始减少。如果知道14C的半衰期，以及大气中有多少14C，就能非常精准地计算出古生物的死亡时间，哪怕这个生物是在几万年前死亡的。这正是太阳物理学家所感兴趣的东西。事实上人们发现，774年至775年间，地质沉积物中的14C有所增加，但原因不详。同时，有许多史料提到，当时英国的天空上出现了彩色条带和红色十字架，中国还盛传蛇的故事。导致这些事件最可能的原因是太阳耀斑，一个比卡林顿事件中的耀斑还要强10倍的耀斑。另一起类似事件没有这么强烈，据估测发生在993年，当时是维京时代。最近还发现，公元前660年也出现过一次类似事件。这些考证参考的书面记载资料可追溯到亚述人[2]（assyrians）时期。而774年发生的太阳耀斑应该是近11 000年以来地球遭遇过的最强烈的一次。

至于研究太阳在更久远的时代里有何表现，那是不太可能的：我们自身在地球上存在的时间如此短暂，发展出科学思维的时间则更短。而且，越极端的事件越罕见，观测需要等待的平均时间也就越长。为了解决这些问题，太阳物理学家和天文学家将注意力转移到与太阳相似的恒星上，观察了数百个乃至数千个恒星。这样一来，再罕见的事件都变成了寻常事件。可他们的发现一点也不让人安心。

许多（几乎所有）类似太阳的恒星，都过着相当平静的生活。这些恒星的活动几乎都表现出周期性的规律，它们产生的耀斑比较强烈，但最强时也不会超过卡林顿事件的强度。不过有些星体就表现得比较反常了，它们几乎与太阳完全一样，有着极端的周期性活动，产生的耀斑能覆盖自身表面很大一部分区域，即超级耀斑（superflares）。借助开普勒太空望远镜，天文学家发现了比卡林顿事件中的耀斑还要强10 000倍的耀斑，它们来自看似不具破坏性的恒星。最强烈的耀斑来自天炉座的S恒星，根据历史记载，1899年它爆发了一颗耀斑，比卡林顿事件强烈100万倍。很难想象这种级别的耀斑强度究竟有多大，更难想象它出现在太阳上将给地球带来多大影响。

我们想象一下，一颗类似天炉座耀斑的超级耀斑出现在此时此刻。8分钟过后，它的光就到了地球，正处于白天的人会看见太阳光线增强100倍，并在一瞬间死去。所有能燃烧的东西都会立即着火。接下来几秒内，臭氧层因受到X射线的辐射而化为乌有，然后X射线便会接触地球表面。只需要几分钟，高能质子就会与烧焦的表面碰撞，消灭地球表面的一切生物。很快，最后一击就会到来——日冕物质抛射。它将带来毁灭性的冲击，地球磁场会被损毁，太阳风会破坏大气层，让大气弥散于太空中，并将尚未化为灰烬的物体也都全部消灭。海洋里的水也会蒸发升入宇宙的真空里。从耀斑开始到结束，只需6个小时，地球表面的任何生物都将不复存在。有一些岩石在超级耀斑下的暴露时间更长，它们的表面会熔化，而后现出一层薄薄的玻璃，成为一颗宛如水星般的行星。

幸运的是，太阳无力引发这一类事件。天炉座的S恒星几乎是特例，它能在短短几天内连续发动数十次此类事件。因此，“越强烈的耀斑越少见”这一说法并不成立。另外，假设太阳有能力引发这类可怕事件，那我们应该可以在太阳系中任意一处找到相应的痕迹，然而并没有，否则，地球将不可能是我们现在认识的这个样子。毫无疑问，我们的太阳迄今为止，还没有引发过如此剧烈的事件，也没有证据显示它会改变习性。就我们目前掌握的信息来看，没必要像卡林顿事件发生时那样，假想出各种超级耀斑可能导致的灾难场景。可以肯定，超级耀斑十分寻常，每隔几百年就会重复一次，但对于太阳在更久远的年代里有何活动表现，我们依旧知之甚少。我们唯一能做的是完善预测工具，如太阳物理学和空间天气学，同时要采取预防措施为遭遇类似事件做准备。这和面对地震没太大区别：问题不在于是否，而在于何时发生下一次卡林顿事件。直到了那一天，我们不用去冰岛也能欣赏一场极光盛景。

[1] 《启示录》是《圣经》的一部分，文中用来指代“世界末日”。“四骑士”传统上分别被解释为瘟疫、战争、饥荒和死亡，文中指给地球带来灾难的宇宙物质。——译者注（如无特殊说明，均为译者注）

[2] 曾生活在两河流域的一支闪米特人，建立了亚述帝国。——编者注