太陽高能粒子
產(chǎn)生于太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME）的太陽粒子可通過太陽耀斑、日冕和行星際激波中加速到高能。太陽高能粒子由質(zhì)子、重離子和電子組成，就輻射而言，質(zhì)子占統(tǒng)治地位。
當(dāng)太陽耀斑和CME朝向地球方向加速太陽粒子時形成太陽粒子風(fēng)暴，經(jīng)過地球附近的粒子被地球磁場偏轉(zhuǎn)，具有足夠動能的粒子可透過地球磁場進入地球大氣。
太陽粒子可與磁場和大氣物質(zhì)作用，產(chǎn)生一系列地球物理效應(yīng)如地磁暴、極光和放射性碳等元素及NO自由基的增長。因此通過研究樹木、珊瑚、冰心的放射性元素和NO自由基的變化，以及磁暴和極光，便可獲得太陽粒子事件的發(fā)生年代和粒子強度。
利用強太陽粒子事件的歷史資料可以研究太陽高能活動規(guī)律和預(yù)報未來的強太陽粒子事件及輻射，這是一種新的方法。
公元775年超強太陽粒子事件
最近幾年科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了公元775年前后全球范圍樹木和珊瑚年輪放射性碳等元素的高增長以及長達數(shù)小時的強極光。這些事實表明，公元775年發(fā)生過萬年以來最強烈的太陽粒子事件。
根據(jù)放射性碳的高增長計算出這一事件的太陽高能質(zhì)子通量是4.5×1010/cm2 （≥30 MeV），而且它的能譜很硬（即粒子強度隨能量的增加緩慢減弱），因此輻射極強。
相比之下，一直以來公認(rèn)的最強的1859年卡林頓（Carrington）太陽粒子事件，雖然它的太陽質(zhì)子通量大約為775年事件的40%，但是由于沒有測量到放射性元素的高增長，能譜應(yīng)較軟（即粒子強度隨能量的增加迅速減弱），其輻射遠遠低于775年事件。
模擬計算表明，如果775年太陽質(zhì)子能譜與1956年2月的太陽質(zhì)子譜相似，在普通航天器內(nèi)（屏蔽物質(zhì)大約為10 g/cm2鋁）質(zhì)子引起的宇航員造血組織輻射劑量可高達15 西佛特（Sv）, 大約為1859年太陽質(zhì)子輻射的十倍（如果1859年太陽質(zhì)子能譜與1972年太陽質(zhì)子相似）。遠遠超過美國宇航局推薦的終生輻射劑量限值，相應(yīng)于這一高輻射值的輻射風(fēng)險，即輻照人員因輻射致癌而死亡的機率幾乎為百分之百。
幸運的是，775年代人類還沒有航天活動，在地球大氣層的保護下，775年太陽粒子事件引起的地面輻射風(fēng)險仍然很小，人類得以幸存。
根據(jù)目前積累的資料，在萬年以來的十個最強太陽粒子事件中，就高能質(zhì)子通量而言，775年事件排行第一，1859年事件排行第十。因此，任何與強太陽粒子有關(guān)的輻射危害和防護研討，都應(yīng)當(dāng)同時參考1859年和775年超強太陽粒子事件。
強太陽粒子事件的危害
強太陽粒子輻射可引起各種災(zāi)害，除了宇航員的輻射風(fēng)險，強太陽粒子事件和太陽風(fēng)暴可能對地面和空間微電子學(xué)器件、光電子學(xué)器件、通訊設(shè)備等產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，甚至摧毀圍繞地球運轉(zhuǎn)的人造天體，包括全球定位系統(tǒng)以及人造通信衛(wèi)星、載人航天器與空間站。
另外，地球上的遠距離輸電線在太陽風(fēng)暴中形成的強電流會沖擊毀壞變電站，讓受災(zāi)地區(qū)陷入黑暗，無法供給電力，醫(yī)院、超市、銀行、機場、加油站等各種設(shè)施無法運作�？臻g天氣重災(zāi)地區(qū)甚至可能爆發(fā)為爭奪生存資源的動亂和戰(zhàn)爭。
1859年9月，地球曾遭受到卡林頓事件的太陽風(fēng)暴正面襲擊，南至夏威夷都可以看到北極光。電報代表當(dāng)時的高科技，卡林頓事件使美國的電報系統(tǒng)失靈，一些電報員直接遭受電擊。
1989年10月發(fā)生的一次較大的太陽磁暴事件，導(dǎo)致加拿大魁北克水力電網(wǎng)癱瘓，部分地區(qū)斷電長達9小時，600萬人受到影響。
2003年10月的較強太陽風(fēng)暴使得美國加州中部上空出現(xiàn)了罕見的極光，全球的通訊受到干擾：海事衛(wèi)星電話系統(tǒng)癱瘓，珠峰探險隊通訊中斷；全球GPS定位系統(tǒng)的定位系統(tǒng)精度降到50米以下；穿越高緯度地區(qū)的航班不得不啟用緊急備用通訊系統(tǒng)，許多航班改變航線，降低飛行高度，導(dǎo)致航線擁擠不堪；瑞典有5萬人電力供應(yīng)中斷；美國航天局的半數(shù)衛(wèi)星出現(xiàn)故障，日本的一顆氣象衛(wèi)星與地面失去聯(lián)絡(luò)；國際空間站上的兩名宇航員緊急轉(zhuǎn)移到輻射防護設(shè)施最好的生活艙。
類似775年和1859年的極端空間天氣襲擊地球所帶來的經(jīng)濟損失可達數(shù)萬億美元。如果發(fā)生在高度發(fā)達的北美和歐洲，一次超級太陽風(fēng)暴就有可能讓美國這樣的高度發(fā)達國家瞬間變成發(fā)展中國家。
所以，研究超級太陽風(fēng)暴的機制和空間天氣災(zāi)害預(yù)報對保護人類社會的經(jīng)濟利益，持續(xù)發(fā)展和維護社會穩(wěn)定至關(guān)重要。
強太陽粒子事件長期預(yù)報新方法
為了應(yīng)對太陽粒子風(fēng)暴災(zāi)害的預(yù)報和防治，必須同時具備空間天氣短期預(yù)報（幾天以內(nèi)）和長期預(yù)報（一年以上）的能力。
目前，雖然人類在空間災(zāi)害天氣短期預(yù)報方面已經(jīng)獲得較大的成功和進展，但是短期預(yù)報的極限能力大約是3天，不能解決和替代長期空間天氣預(yù)報，因此需要研究長期預(yù)報。但長期預(yù)報目前在國內(nèi)外幾乎都是空白。
如果有了長期預(yù)報的方法和能力，就能提前幾年甚至幾十年預(yù)報強太陽風(fēng)暴的發(fā)生年代和粒子的最可能強度。另一方面，可以利用短期空間天氣預(yù)報方法預(yù)報強太陽風(fēng)暴發(fā)生的準(zhǔn)確時間和風(fēng)暴強度。因此，長期空間天氣預(yù)報和災(zāi)害防治必然會成為一個新的重要研究領(lǐng)域。
長期預(yù)報新方法和傳統(tǒng)方法不同，傳統(tǒng)方法基于太陽黑子數(shù)的11年周期和卡靈頓事件預(yù)報強太陽粒子事件。這種方法不能很好地預(yù)報太陽粒子的發(fā)生年代，也不能較準(zhǔn)確地給出所預(yù)報事件的粒子強度。
新方法是基于歷史大數(shù)據(jù)的定量分析法。首先利用近萬年的國內(nèi)外資料建立歷史強太陽粒子事件大數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上分析尋找強太陽粒子事件發(fā)生的長周期和質(zhì)子平均強度的數(shù)學(xué)擬合回歸公式，利用它們即可比較準(zhǔn)確地預(yù)報未來強太陽粒子事件的發(fā)生年代，粒子強度和極端強度的發(fā)生概率。
根據(jù)對萬年以來強太陽粒子事件歷史大數(shù)據(jù)的分析，除了11年太陽黑子主周期，還發(fā)現(xiàn)了50±5年和100±10年的強太陽粒子事件長周期，如1505~1605年，1619~1719年，1859~1960年約是100年；1810~1859年，1960年11月至2012年7月約是50年。另一方面，如果考慮上一次強太陽活動高峰在2001年，按11年主周期，2012年是可能的強太陽粒子發(fā)生年份，兩種方法預(yù)言的結(jié)果相同。按新預(yù)報方法，2060年左右很可能發(fā)生強太陽粒子事件。
另外，用新方法和2003年之前的強太陽粒子事件數(shù)據(jù)所得擬合公式計算，2012年太陽粒子事件質(zhì)子的最可能強度為（2.0±0.5）×109/cm2（≥30 MeV），與觀測結(jié)果吻合甚好，最大強度約為1010/cm2（≥30 MeV），遠小于775和1859年超強太陽粒子事件強度，發(fā)生概率約為1%。
假如2012年7月的強太陽風(fēng)暴正好對準(zhǔn)地球，其太陽質(zhì)子強度可能接近估計的最大強度。這些在2003年就可得到的研究結(jié)果顯示2012年不會有特大空間天氣災(zāi)害。與新方法相比，舊的預(yù)報方法不能計算未來強太陽粒子事件質(zhì)子強度，只能參考卡林頓事件或775年事件，因此容易預(yù)報成特大空間天氣災(zāi)害。
長期空間天氣災(zāi)害預(yù)報意義重大
極端太陽活動的長期預(yù)報可以用來指導(dǎo)未來深空載人航天活動（探索月球、火星和其它行星），從輻射角度確保航天員的生命安全以及航天飛船微電子和光電子器件設(shè)備的安全。
按目前的技術(shù)水平往返一次火星加上火星科學(xué)探索，總共需要幾年時間；航天員在空間站往往停留數(shù)月甚至超過一年。
只靠短期空間天氣預(yù)報不可能為這樣的長時間航天活動提供空間天氣預(yù)報和輻射安全保障，長期預(yù)報方法可能很有用。按長期預(yù)報今后幾十年很可能沒有超強太陽粒子事件，因而是人類深空載人航天活動一個極佳的時間窗口。
極端太陽活動長期預(yù)報可使我們盡早知道災(zāi)害的發(fā)生年代和災(zāi)害程度，從而及早有計劃地做好減災(zāi)準(zhǔn)備，以便最大限度地減除災(zāi)害，保護人類文明和財富，保障社會安定。■
（作者系原美國國家航空航天局資深科學(xué)家，中科院國家空間科學(xué)中心特聘研究員）