一场足够大的太阳风暴如何彻底改变世界？

1859年9月1日和2日，世界各地的电报系统发生了灾难性的故障。操作员报告说，他们受到了电击，电报纸着火，并且能够在电池断开的情况下操作设备。

到了晚上，北极光，也就是我们常说的北极光，在哥伦比亚以南都能看到。通常，这些光只在高纬度地区可见，如加拿大北部、斯堪的纳维亚和西伯利亚。 那一天世界所经历的，现在被称为卡灵顿事件，是一场巨大的地磁风暴。当被称为等离子体的高温气体大气泡从太阳表面喷射到地球上时，这些风暴就会发生。这个气泡被称为日冕物质抛射。 日冕物质抛射的等离子体由一团质子和电子组成，它们是带电粒子。当这些粒子到达地球时，它们会与地球周围的磁场相互作用。 这种相互作用导致磁场扭曲和减弱，这反过来又导致了北极光和其他自然现象的奇怪行为。作为一名专门研究电网的电气工程师，我研究地磁暴是如何造成电力和互联网中断的威胁，以及如何防范这种威胁。 地磁风暴 1859年的卡灵顿事件是地磁风暴的最大记录，但它不是一个孤立的事件。 自19世纪初以来，就有了地磁暴的记录，来自南极冰芯样本的科学数据显示，在公元774年左右发生过一次更大规模的地磁暴，现在被称为三宅事件。那次太阳耀斑产生了有记录以来最大、最快的碳-14上升。地磁暴在地球上层大气中触发了大量的宇宙射线，从而产生碳-14，一种碳的放射性同位素。 一场比三宅事件小60%的地磁风暴发生在公元993年左右。冰芯样本显示，与三宅事件和卡灵顿事件强度相似的大规模地磁暴平均每500年发生一次。 如今，美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration)使用地磁风暴尺度来测量这些太阳爆发的强度。“G量表”的等级从1到5,G1为次要等级，G5为极端等级。卡灵顿事件被评为G5级。 当你把卡灵顿事件和三宅一生事件相比较时，情况就更可怕了。根据当时天文台记录的地球磁场的波动，科学家能够估算出卡灵顿事件的强度。当时没有办法测量三宅宅三宅事件的磁场波动。相反，科学家们测量了那个时期树木年轮中碳-14含量的增加。 三宅一生事件使碳-14含量增加了12%。相比之下，卡灵顿事件产生的碳-14只增加了不到1%，所以三宅事件很可能使G5卡灵顿事件相形见绌。 敲出力量 今天，一场与卡灵顿事件强度相同的地磁风暴所影响的远不止电线，而且可能是灾难性的。随着对电力和新兴技术的日益依赖，任何破坏都可能导致数万亿美元的经济损失和依赖于这些系统的生命风险。这场风暴将影响人们每天使用的大部分电力系统。 地磁暴产生感应电流，流过电网。地磁感应电流，可以超过100安培，流入连接到电网的电气元件，如变压器，继电器和传感器。 100安培相当于为许多家庭提供的电力服务。这种大小的电流会导致组件内部损坏，导致大规模停电。 1989年3月，加拿大魁北克发生了一场比卡灵顿事件小三倍的地磁风暴。风暴导致魁北克水电电网崩溃。 在风暴中，高磁感应电流损坏了新泽西州的一个变压器，并触发了电网的断路器。这次停电导致500万人断电9个小时。 打破连接 除了电力故障之外，全球范围内的通信也将遭到破坏。互联网服务提供商可能会倒闭，这反过来又会导致不同系统之间无法相互通信。诸如地对空、短波和船对岸无线电等高频通信系统将受到干扰。 在地球轨道上运行的卫星可能会因地磁暴产生的感应电流烧毁它们的电路板而受损。这将导致基于卫星的电话、互联网、广播和电视中断。 此外，随着地磁暴袭击地球，太阳活动的增加导致大气向外扩张。这种膨胀改变了卫星环绕的大气密度。高密度的大气会对卫星产生阻力，使其减速。如果不把它调到更高的轨道，它就会掉回地球。 另一个可能影响日常生活的干扰领域是导航系统。几乎所有的交通工具，从汽车到飞机，都使用GPS进行导航和跟踪。甚至像手机、智能手表和跟踪标签这样的手持设备也依赖于卫星发送的GPS信号。 军事系统严重依赖GPS进行协调。其他军事探测系统，如超视距雷达和潜艇探测系统可能会中断，这将妨碍国防。 就互联网而言，磁暴在卡林顿事件的规模可能产生眼睛在海底和陆地电缆感应电流形成的骨干网络和数据中心,存储和处理从电子邮件和短信到科学数据集和人工智能工具。这可能会破坏整个网络，并阻止服务器相互连接。 这只是时间问题 地球再次遭受地磁风暴的袭击只是时间问题。卡灵顿事件规模的风暴将对全球的电力和通信系统造成极大的破坏，中断将持续数周。 如果风暴的规模和三宅宅事件一样大，那么对世界来说，后果将是灾难性的，供电中断可能会持续数月甚至更长时间。即使美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空间天气预报中心(space weather forecasting Center)发布了空间天气预警，全世界也只有几分钟到几小时的时间可以收到预警。 我认为，继续研究保护电力系统免受地磁风暴影响的方法至关重要，例如，安装可以保护易受影响设备的设备，如变压器，以及制定策略，在太阳风暴即将到来时调整电网负荷。简而言之，现在重要的是要努力减少下一次卡灵顿事件带来的干扰。谈话 David Wallace，密西西比州立大学电气工程临床助理教授。

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