拯救世界的空间天气学——1967年太阳耀斑

注:这篇文章是本人“太阳活动与人类社会”课程的期末论文。

引言

假设你是美国总统。当你正在享用晚餐的时候,几名特勤局的彪形大汉冲进来,把你拖进地下会议室。国防部长告诉一脸茫然的你, 北美防空司令部的所有远程预警雷达被不明干扰源干扰,已全部瘫痪;空军的全部无线电通讯中断,正在执行空中警戒巡逻任务的B-52失去联系。这都可能是苏联发动大规模核打击的迹象。位于内布拉斯加州的战略空军司令部发来电报,询问是否让在跑道上待命的B-52升空,按预定计划执行核反击任务……

抛开艺术夸张的成分,这是真实出现过的事件:1967年5月份发生了一次大规模的太阳耀斑爆发,它严重干扰了北美的预警雷达和无线电通信,可能一度让人类处于核战争边缘。这一事件直到2016年才被首次披露:科罗拉多大学波德尔分校(University of Colorado, Boulder)的Delores Knipp教授在《Space Weather》期刊上发表了一篇名为The May 1967 great storm and radio disruption event: Extreme space weather and extraordinary responses的文章,介绍了这次太阳耀斑爆发的经过和美国军方的反应。

 

美国的核威慑体系:两个部门

1957年,苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星。发射这颗卫星使用的运载火箭是R-7火箭,如果把卫星换成战斗部,它就变成了一种洲际弹道导弹,射程约9000公里,圆概率误差5km,可以携带当量为300万吨的核弹头。

美国陆军投资了数十亿美元试图研制反导系统,但受限于当时的技术水平,这种系统的效果不尽人意。且不论反导系统可能会被苏联发射的大量导弹“饱和”的问题,想要达到稍高的拦截率,只能用核弹头进行末段拦截,换言之,在自己的国土上空爆炸核弹。后来,在1972年反导条约签订之后,这套系统也停止开发了。

在1966年,国防部长麦克纳马拉在讲话中说道:“过去为拦截苏联轰炸机而建立的复杂防空系统已失去了重要性。今天,我们的防空系统无法防御苏联的弹道导弹,面对大规模洲际导弹打击,它们的效率和生存力都存在严重问题……”

弹道导弹无法防御的特性导致了众所周知的“互相保证毁灭”策略。美军认为,保证自身免受核打击的唯一方法是让自身的核武库即使在遭到苏联首次打击后还能毁灭对方。相关的项目得到了大笔投资:空军部署了上千枚“民兵”洲际导弹,同时海军列装了41艘弹道导弹核潜艇。

在美国空军中,承担核打击和预警任务的是两个不同的部门。战略空军司令部负责核打击,它成立于1946年,专门负责远程战略轰炸,后来又增加了陆基弹道导弹。在1960年代,战略空军司令部麾下有25万人,75个基地,一旦核战争爆发,B-52、B-58轰炸机和“民兵”导弹将向苏联投下成千上万枚核弹头。

虽然战略空军的核武库足以毁灭整个地球,但美国人仍然担心,在苏联先发制人的核打击下,不仅城市和工业区会被夷平,导弹发射井、加固机库和指挥系统也可能被瘫痪——从而使美国丧失核反击能力。为了防止这种情况发生,在苏联发射第一颗人造卫星后,美国国会迅速批准拨款建设预警体系,它应当提供足够长的预警时间,让城市和军队进行疏散,轰炸机升空,导弹装订坐标、做好发射准备,并用长波信号对潜艇发送核打击命令。

运作预警体系的部门是北美防空司令部。它成立于1961年,总部坐落在夏延山的地下工事,这是出于预防核打击的需要。而战略空军司令部的总部则远在800公里外,内布拉斯加州的欧福特空军基地。

北美防空司令部运作的远程预警系统名为BMEWS(Ballistic Missile Early Warning System).

图1. 北美防空司令部的预警系统

BMEWS包括两种雷达:AN/FPS-49跟踪雷达和AN/FPS-50监视雷达。共有三个雷达基地,按照建造顺序分别是:格陵兰岛的图勒(Thule)基地、阿拉斯加的克利尔(Clear)基地和英国约克郡的弗林戴尔(Fylingdale)基地,即为图1的中、左、右三处。图勒基地在1960年建成,它同时装备两种雷达,它可以探测从欧亚大陆发射的大多数导弹。克利尔基地在1961年建成,最初只有AN/FPS-50监视雷达,它可以对从西伯利亚地区发射的导弹提供预警。弗林戴尔基地只有AN/FPS-50跟踪雷达,它可以探测从苏联西部发射的洲际导弹,以及目标是欧洲地区的中程导弹。

图2. 阿拉斯加州克利尔基地的AN/FPS-50监视雷达

如图2中所示,每一部AN/FPS-50雷达有3个天线,各自负责40°的范围。AN/FPS-50和AN/FPS-49的探测距离都可达5000公里,它们都在425MHz频段上工作(注:Knipp教授的论文中给出的数据是440MHz,但其他资料中都是425MHz)。这个频段属于特高频(UHF)波段,按照国际电信联盟的划分,这一频段还被用于电视广播、微波通信、射电天文学、微波炉、移动电话、蓝牙、WiFi等等,当然1967年还没出现最后三样:)

除了雷达之外,值得注意的还有美国战略空军的无线电通讯频段。战略空军司令部运用一套叫做“Giant Talk”的通讯系统, 它在高频(HF)波段运作,具体来说是6~30MHz.除此之外,还有在一些特高频上运作的通讯系统,作为备份。例如,B-52轰炸机装备一部高频电台,型号是AN/ARC-310,在2~30MHz频段工作,还装备一套AN/ARA-25导航系统和一套AN/ARC-210电台,后两者的工作频段都是特高频。

简介太阳爆发

用肉眼看上去,太阳仿佛总是静止地悬在半空中,放射出永恒不变的光芒。但如果靠近一点,你就会发现,太阳表面并不平静,等离子体在磁场的驱动下一刻不停地翻滚、扭曲着。拥有扭曲强磁场的区域被称为“活跃区域”(它还有一个更学术的名称‘谱斑区’),如果一个活跃区域蕴含的能量达到了一定程度,它的磁场就可能会重新连接,同时以电磁波的形式释放出大量能量。这个过程被称为太阳耀斑爆发。耀斑爆发会放射出各种波长的电磁波,从高频的X射线、紫外线、可见光到低频的无线电波。

这些强烈的电磁波可能会对地球产生影响。频率较低的辐射可能会对相同频段的无线电信号产生干扰,例如雷达、电报或者卫星定位系统。在二战期间的1942年,英国的雷达系统就曾被一次耀斑爆发干扰,从而没有发现两艘德国军舰。当时英国人认为自己可能受到了德军的干扰,但经过调查发现,“干扰源”来自太阳。

更高频的辐射则会扰动地球电离层。X射线和超紫外线辐射会和气体分子相互作用,产生自由电子,这些电子能够吸收高频(HF)电波,从而导致无线电中断。例如,在1859年,人类首次观测到的耀斑爆发就瘫痪了欧洲到北美的无线电报。这次爆发被命名为“卡林顿事件”,以纪念其发现者卡林顿,一名业余天文学家。

通常,和耀斑爆发伴生的还有另一种现象:日冕物质抛射(CME).顾名思义,在日冕物质抛射中,大量等离子体被从太阳中抛射出来。日冕物质抛射和耀斑爆发并没有因果性,可以独立存在,但大规模的耀斑爆发往往伴随着高速的日冕物质抛射。抛射出的等离子体以超音速飞行,但和以光速传播的电磁辐射相比,日冕物质抛射是到达地球最慢的一环。典型的日冕物质抛射传播到地球需要数天,最快的也需要一天左右。

日冕物质抛射出的等离子体同样会扰动电离层,造成不同的影响。从好的方面看,其中就包括美丽的极光。从坏的方面看,它们也会造成无线电噪音,甚至通讯中断。相比直接的电磁辐射,日冕物质抛射造成的无线电干扰通常会持续更长时间,例如数十个小时。

图3. 卡林顿事件造成的极光

日冕物质抛射从太阳到地球的道路并不总是畅通的。虽然密度极小,但日地空间中其实充满了各种粒子。它们会让抛射体减速——如果其前缘被减速至亚音速,由于超/亚音速流体特性的不同,在抛射体前端将产生一个宽大的激波区域。这个激波会把一些电子和质子加速到极高的能量,向地球射去。除了激波之外,耀斑爆发的活跃区域本身也是这种高能粒子的来源之一。它们的速度介于耀斑爆发的电磁辐射和日冕物质抛射体之间,在地球上产生与二者类似的无线电干扰。

总之,太阳爆发会产生若干种现象,它们都可能通过不同的方式干扰地球的电磁环境,造成无线电噪声或通讯中断。对于各种类型的干扰,其持续时间可能从8分钟到数天不等。

5月17日的太阳爆发

故事开始于1967年5月17日,在这一天,太阳的东侧边缘出现了一个活动区域。它被命名为“McMath 8818号区域”,其中McMath是一位美国天文学家:Robert Raynolds McMath的姓氏。他是最早的太阳风暴观测者之一。8818号区域随即开始向西,也就是正面朝向地球的方向移动。NOAA的观测报告称,它是“第20个太阳活动周期内最活跃的区域”之一。

在5月21日,这个区域出现了一次白光闪烁,与之相伴的是无线电波辐射。和二战时期不同,科学家已经拥有了更完备的观测设施——其中包括在1966年8月17日发射升空的“先锋者”7号卫星,它在平均半径为1.1天文单位的轨道上运行,和之前的“先锋者”6号一样,携带了探测太阳风中带电粒子的仪器。在无线电辐射爆发后,这颗卫星随即发现了辐射。

21日的爆发已让科学家们得到了预警,但这只是序章。

在5月23日,美国国家太阳天文台萨克拉门托峰观测站的科学家们正在执行日常巡天任务。这是美国空军气象部队(Air Weather Service)的太阳观测/预报网络(Solar Observing and Forecasting Network, SOFNET)的一部分,这个网络负责协助北美防空司令部,因为后者的雷达可能会被太阳活动干扰——早在二战期间,盟军就发现了这一现象。

美国空军气象部队的渊源已久。在飞机,甚至无线电出现之前,电报的高度时效性就对天气预报起着重要作用,因此美国内战结束不久的1870年,格兰特总统命令,依托陆军信号部队(承担通讯任务)密布的通信站点,成立了美国国家气象局。在一战期间,信号部队在欧洲战场上继续承担天气预报的任务。可以想见,从天气预报中受益最大的是飞行部队——也就是当时的美国陆军航空队,因此在1937年,这份任务被移交给了航空兵。后来,美国空军成立,气象部队自然也成了空军的下属单位。

图4. 美国空军气象部队的徽章,风速计是气象任务的象征

在苏联发射首颗人造卫星“斯普特尼克1号”后,美国空军感到需要把自己的触手伸向外太空,于是气象部队把一些军官派去大学攻读太阳和地球物理相关学位,他们也正是SOFNET网络最早的奠基人。这些军官中就包括Howard Demastus。他生于1929年,在19岁时加入了美国海军陆战队,服役一年之后(1949年),不难推测——Howard被调到了空军气象部队。从1954年开始,他就在萨克拉门托峰的太阳观测站工作,这中间的四年大概是空军派他读了大学。在此后的二十年内,Howard一直待在这个观测站,为美国空军服务,观测太阳,发表论文和期刊,直到1974年,或许是因为身体原因退休。

回到1967年5月23日,38岁的Howard正在执行另一次例行的巡天任务。和所有故事中的主角一样,他们看到了非同寻常的景象:在美国西部时间上午10:00到15:00之间,发生了三次爆发。抛射出的太阳物质在5分钟内就走过了0.3个太阳半径,也就是2300公里/秒的速度;在几分钟的时间里,爆发区域的亮度增加了6%.他们用手里的全套观测设备拍下了爆发的景象:

图5. 太阳爆发时的图片,本图摄于656.28nm波长,即氢原子的第一条可见光谱线

这张照片记录了(当地时间)10:40左右的第一次爆发。上半张是爆发前,下半张是爆发时,两张照片的间隔不到4分钟。在如此短的时间和如此大的尺度上,太阳被剧烈地扰动,可以想象,其中蕴含着多么庞大的能量。

太阳在整个电磁频谱上闪耀。在2800MHz上,辐射峰值达到了8000太阳流量单位——据估计,一次爆发超过8000太阳流量单位的概率只有1%.在1.4GHz上,辐射峰值达到了85100太阳流量单位,这是当今GPS导航系统所使用的的频段。在8800MHz上,辐射达到了20000太阳流量单位,而在606MHz上,峰值是373000太阳流量单位。根据美国环境科学局(Environmental Science Services Administration)的观测,在184MHz上的辐射水平超出了测量范围。

回想我们刚才提到的雷达频率:440MHz.并没有对这个频段的直接观测,但显然,440MHz也被剧烈地扰动了。大量带电粒子射入电离层,在地磁场掀起“惊涛骇浪”。在下午三点左右,美国中部和加拿大的无线电通讯和雷达信号被严重干扰。在太阳猛烈爆发的同时,一些高纬度的BMEWS预警雷达正面向日落的方向,它们自然“看到”了创纪录的太阳辐射。而其他雷达也不能幸免,甚至那些并未朝向太阳的雷达也被从旁瓣或者背瓣干扰了。

至于特高频机载通讯设备的200~400MHz受到了何种影响,似乎并没有直接记录。但根据184MHz上的记录,不难推想,至少在200MHz附近,太阳的“光芒”盖过了天空中所有的电波。

在更低一些的高频(HF)段,干扰被无线电操作人员记录下来了。在科罗拉多州的柯林斯堡附近有一座无线电台,代号是“WWV”,它由美国政府运营,持续不断地在高频上播送授时和飓风预警之类的信号。在太阳爆发时,近2000公里外的斯坦福大学无法监听到这座电台广播的15MHz信号——它被太阳辐射掩盖了。

战斗警报

这次太阳爆发造成的影响:雷达被干扰,无线通讯被阻塞,都很容易被判断成苏联进攻的前奏。事实上,这是一种成熟的战术:在越南战争中,美国空军就经常用电子战机投放箔条,干扰北越的地面雷达;而在一年之后的“布拉格之春”中,苏军也正是用金属箔条让西方和捷克斯洛伐克的防空雷达失效,并在后者反应过来之前迅速占领了布拉格。

现在设想你是1967年5月23日,战略空军司令部的值班人员。战略空军司令部是一支单纯负责作战的部队,因此你并不清楚一个天文单位之外发生了什么。你知道的信息有:

  1. 北美防空司令部的雷达都被干扰,屏幕上满是雪花。有一个预警雷达站报告,它发现了多个向美国方向移动的目标,目标类型被雷达系统标记为“未知”。
  2. 图勒岛的远程预警雷达在不久之前刚刚进行过升级,技术人员拍着胸脯向你保证,它能过滤任何正常状况下的自然或人为干扰——因此如果被干扰,一定是苏联人干的。
  3. 高频和特高频无线通讯时断时续,信号质量下降,一些正在战备巡航的轰炸机失去联络。
  4. 条令告诉你,苏联进攻前很可能会干扰雷达和无线通讯,以瘫痪你们的指挥控制能力。
  5. 如果苏联发射了弹道导弹,雷达只能为你提供15分钟的预警时间,核反击命令必须在此之前下达,在15分钟之后,空军基地和导弹发射井都将被摧毁。
  6. 如果命令轰炸机起飞,苏联很可能将其视为核战争开始的信号——而由于高频/特高频通讯中断,已经出发的轰炸机将无法撤回。

在这种情况下,你肯定会感到前所未有的压力——你做出的决定关乎人类的命运。如果命令轰炸机起飞,你将很可能可能亲手引发第三次世界大战。但如果轰炸机没有起飞,你可能眼睁睁地看着核弹在美国本土爆炸,而本应承担核反击任务的战略空军毫无作为。

在当天,战略空军司令部紧张的指挥官们命令处于警戒状态的轰炸机开机——在这种状态下,它们停在加固机库中,发动机并未启动,全体机组坐在飞机内待命。由于命令尚未下达,已经开机,在跑道尽头待命的轰炸机没有升空。启动B-52轰炸机是一项复杂的事情,需要地勤人员用高压气体让压气机开始运转,整个过程可能长达数分钟。在这段时间内,战略空军司令部的值班人员或许在一边权衡要不要让在营房内休息的飞行员们登上飞机,一边向上级报告。

这件事情上报的层级一直到达了美国总统。庆幸的是,气象部队完全知道这是一次太阳爆发,他们让事态平息下来,战略空军被告知,异常的雷达信号来自太阳而不是苏联的干扰,紧张的情绪消失了,轰炸机没有升空。

一场危机在不知不觉中被化解了。美国并未对此事发表官方声明。在这附近的几天里,白宫只发表了一篇关于越南战争的新闻通稿。在1967年5月23日,夏延山的指挥部里发生了什么仍不为外人所知,但大概会有一名美国空军气象部队的军官,把这个日子作为他职业生涯中最大的荣耀——在这一天,他用自己的专业知识拯救了世界。

参考文献

Knipp D J, Ramsay A C, Beard E D, et al. The May 1967 great storm and radio disruption event: Extreme space weather and extraordinary responses[J]. Space Weather, 2016, 14(9): 614-633.

http://www.afwing.com/weapon/nuclear-air-defense.html

Winkler D F, Webster J L. Searching the skies: the legacy of the United States Cold War defense radar program[R]. CONSTRUCTION ENGINEERING RESEARCH LAB (ARMY) CHAMPAIGN IL, 1997.

http://www.radartutorial.eu/19.kartei/01.oth/karte001.en.html

https://fas.org/nuke/guide/usa/bomber/b-52.htm

https://www.rockwellcollins.com/Products_and_Services/Defense/Communications/Airborne_Communications/HF_Communications/AN-ARC-190V_Airborne_HF_Communication_System.aspx

http://www.designation-systems.net/usmilav/jetds/an-ara2arc.html

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1966-075A

https://www.findagrave.com/memorial/79863926#

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