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極光和魁北克大停電丨科學史


中科院之聲年月日的凌晨,美國紐約州的山姆被電話鈴聲吵醒了。朋友打電話讓他看窗外。揉揉惺忪的睡眼,山姆打開窗戶望向北邊的天空,他被眼前的景象驚...

- 2019年3月13日09時31分
- 科學文摘 / 中科院之聲

中科院之聲

1989年3月13日的凌晨,美國紐約州的山姆被電話鈴聲吵醒了。朋友打電話讓他看窗外。揉揉惺忪的睡眼,山姆打開窗戶望向北邊的天空,他被眼前的景象驚呆了。藍黑色的夜空中,夢幻一般的粉紅色條帶,仿佛一條巨大的紗幔在飛舞。山姆連忙叫醒家人,和他們一起欣賞這難得一見的美景。

當時拍到的極光照片(圖片來自網絡,拍攝者:Ken Spencer)


就在紐約州以北幾百公里的魁北克省,同時發生著一場靜悄悄的大停電。停電的時候沒有風暴,也沒有暴風雪,是一次沒有任何預警的停電事故。停電發生在凌晨2點45分,記錄顯示,當時的室外溫度是攝氏零下16到零下20度。在停電後,暖氣也停止了供應,室內氣溫急劇下降。當山姆被朋友的電話叫醒的同時,不知道有多少魁北克人被凍醒,然後意外地發現停電了。

停電的城市(圖片來自網絡)

數據和圖片來自網站:http://climate.weather.gc.ca

這次停電延續了9個小時。第二天早上,蒙特婁市的地下隧道因為停電關閉,行人不得不頂著寒風在地面上行走。開車族面對黑漆漆的交通燈不知所措,交通一片混亂。當上班族好不容易來到上班地點,卻發現公司大樓一團漆黑,電梯停運。人們聚集在大樓門口,等待著電力恢復。

圖片來源於中國新聞網


停電使得地鐵停運,學校停課,魁北克的多瓦爾機場也被迫關閉,一些航班被取消。這是一次沒有預先通知的大面積停電,魁北克省的大部分地區都遭遇了這次停電,加上北美其他部分地區,受影響的人數高達600萬,直接經濟損失數以億計。

在這次停電事故中,最尷尬的是魁北克電力。面對這次突如其來的大停電,他們一開始找不出問題的根本原因,把責任推到一段老舊的線路上,卻完全忘記了就在停電之前不到一年,公司曾許諾投資20億美金來改善線路,減少停電發生。說好的改善線路呢?說好的減少停電呢?有的市民甚至提請政府調查魁北克電力是不是有玩忽職守的行為。

當時很少有人把這次停電事故和同時發生的極光聯繫起來。極光通常只能在高緯度地區,比如北邊的瑞典、加拿大或者俄羅斯才能看到。這次極光的範圍非常之廣,在美國南部的佛羅里達州都能看到。極光非常奇特,又正處在冷戰末期。有人甚至以為是當時的蘇聯發射了核武器,還有人錯誤地把這次極光和當天發射的「發現號」太空梭聯繫起來。

引發極光和魁北克停電事故的原因就是磁暴。地球本身就是一個巨大的磁鐵,它的磁場保護著地球上的生命不會遭受宇宙射線的輻射,也保護著地球上的大氣不會逃走。磁暴是地磁場的大幅度擾動。1989年3月13日發生的磁暴非常強烈,Dst 指數達到了-500nT以上。(科學家利用Dst指數描述磁暴的強度,Dst指數達到-100nT 就是強磁暴,達到-300nT以上就是超強磁暴。)

磁暴是怎麼發生的?什麼情況下會有超強磁暴?為什麼會引發停電和極光?

引發磁暴的根本原因是來自太陽的太陽風暴。就在3月9日,太陽上發生了一次暴發,瞬間發出的能量相當於成千上萬顆原子彈爆炸,噴發出的等離子體流高速撞向地球。這次太陽爆發雖然強烈,但還不足以導致-500nT的超強磁暴。第二天(3月10日)又有一個更強烈的太陽爆發,比之前那次更猛,速度也更快,爆發出的等離子體雲追上了之前的等離子體雲,組成了一個新的更加有力的等離子體雲團組合結構,當這個結構在3月13日撞上地球時,強烈地擠壓了地球的磁場,引發了一個超強的大磁暴。

太陽風和地球磁場

地磁場的擾動為什麼會引發停電?我們都知道,拿一個磁鐵在導線圈附近晃動,導線圈就會產生電流。發電機就是利用這個原理髮電的,不過在發電機中,轉動的是導線圈而不是磁鐵。地磁場擾動,相當於地球這個大磁鐵在晃動,結果在輸電線路上產生了感生電流。由於這次磁暴特彆強烈,因此產生的電流也特彆強,導致輸電線路嚴重過載,引發了這次的停電事故。

圖片來自網絡


極光可以說是太陽風暴引發磁暴的一個副產品。伴隨著太陽風暴,來自太陽的高能粒子也會到達地球,磁暴也會在地球附近的空間產生一些高能粒子,當這些粒子沿著極區地磁場的開口進入地球大氣層時,會激發大氣中的原子、分子發出各種顏色的光,這就是我們在地面上看到的極光。

北美地區圖,黃色的地方是停電的魁北克省(圖片來源ssl.berkeley.edu)

現在問題來了,為什麼地球上其他地區不停電?事實上,這次磁暴在北美引發了大面積的電網擾動(美國有一台高壓變壓器直接被燒毀了),但是沒有引起大面積的停電事故。具體說來,磁暴對於地面上不同區域的影響是一個複雜的科學問題,一個最簡單的規律就是,離地磁南、北極越近的地方,磁暴影響越大。魁北克停電事故發生時的地磁北極位於加拿大北部,因此,距離加拿大北部更近的魁北克也比美國大部分地區離磁極近多了,所以受到的影響更大。

得知引發停電事故真正原因的魁北克電力終於鬆了一口氣,隨後他們宣布,這次停電不是我們的錯,是因為我們所處的地理位置。

地磁場北極在移動

我國所處的地理位置離地磁場的北極比較遠,而且最近太陽處於活動低年,太陽活動少,就連強磁暴都很少發生,更不用說超強磁暴了,但並不能因此放鬆警惕。已經有研究表明,2012和2017年都有類似1989年的超級太陽風暴發生,只不過沒有對準地球,所以沒有在地球上引發磁暴。另一方面,地磁北極在不斷的變換位置,現在正從加拿大北部朝俄羅斯方向移動。我國也不能掉以輕心。

歐洲空間局和中國合作研製的SMILE 衛星計劃,研究地球空間環境對太陽風暴的響應,揭示磁暴發生的規律。(圖片來源:歐空局)

來源:中國科學院國家空間科學中心


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