Calling太空丨太空时代、高空核爆与太阳风暴
2019/4/27 8:00:00刘颍 中科院之声

     本周的4月24日是第四个“中国航天日”，今年“中国航天日”的主题是“逐梦航天 合作共赢”。我们与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，探索浩瀚空天的奥秘，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

     1957年10月4日，前苏联发射了人类首颗卫星Sputnik 1，标志着人类进入太空时代。从此深刻地改变了人类的政治、军事、技术和科学进程。同时也表明前苏联拥有了向全球发送导弹的能力。

    

     前苏联发射的人类首颗卫星Sputnik 1

     同月的稍后，一个叫 Nicholas Christofilos 的美国人提出在高层大气进行核爆，并预期：(1)核爆释放的能量将增强电离层的电离程度，可以中断无线电通讯；(2)核爆产生的高能电子将被束缚在地球磁场中，可以拦截和摧毁洲际导弹。有趣的是，这一出于战争考虑的提议早于我们对空间天气的清醒认知。

     1958年1月31日，美国发射了其第一颗卫星Explorer 1，这是首颗真正意义上的科学卫星，它发现了地球周围的辐射带。作为太空时代早期最主要的科学发现，辐射带是被地球磁层俘获的高能粒子，竟与 Nicholas Christofilos 的预想不谋而合。

    

     美国发射的首颗卫星Explorer 1。托举卫星模型的三个人，中间为科学仪器负责人、空间科学先驱James Van Allen。

     随后，在1958至1962年，美国和前苏联进行了一系列的高空核爆。高度从几十公里到几百公里，核弹的TNT当量从几千顿至数百万吨。其中，1962年7月9日发生在太平洋中部、以“海星”(Starfish)为代号的高空核爆最为著名，核爆的高度为400公里，TNT当量为1.4百万吨。

    

     美国在太平洋中部的Johnston岛进行的一系列高空核爆，代号分别为Orange、Teak、Kingfish、Checkmate、Starfish。

     人工生成辐射带和极光

     当时，空间科学先驱、Explorer项目科学家Van Allen及其同事被带入高空核爆这一机密项目中，目的是测试Christofilos提出的高能粒子效应。Van Allen和他的团队研制了新的Explorer系列卫星，发现这些“人工”辐射带竟能持续数年之久!与自然生成的辐射带相比，1962年“海星”(Starfish)高空核爆产生的外辐射带比较窄、弱，而内辐射带强度却高1000万倍!

    

     1962年“海星”(Starfish)高空核爆产生的“人工”辐射带(上)与2015年观测到的、自然生成的辐射带(下)的比较。

     如此高的粒子强度对穿越其中的卫星无疑具有很大的杀伤力。多颗卫星因1962年的“海星”(Starfish)高空核爆受到不同程度的损害，其中包括Ariel-1、TRAAC、Transit-4B、Tiros 5、OSO-1、Kosmos-5和Telstar-1。Christofilos的猜想得到证实，只不过由原先的防御式变成了进攻型。

     “海星”高空核爆产生的高能粒子也形成了“人工”极光，远在1500公里外的火奴鲁鲁可见。与太阳风暴导致的极光相比，持续时间比较短，只有7分钟。

    

     从火奴鲁鲁拍摄的、“海星”(Starfish)高空核爆产生的“人工”极光。

     电磁脉冲

     然而，高空核爆最大的杀伤力却来自意外发现的电磁脉冲(electromagnetic pulse)现象，已被证明可对现代科技社会造成灾难性后果。这是复杂的多脉冲现象，包括三重打击。

    

     高空核爆产生的电磁脉冲现象，包括三重打击(E1、E2、E3)。

     第一波打击来自核爆产生的gamma光子。这些高能光子从大气中“敲出”电子，电子沿着地球磁场螺旋运动，产生的电场与闪电相当(几万V/m)。虽然这一电场持续时间只有1微秒，但足以击穿电子器件。

     第二波打击来自散射的或次级gamma光子，过程与第一波打击类似，持续时间为10毫秒左右。产生的电场大幅减弱，正常情况下对防护过的电子器件不会有大的影响，但在第一波打击的基础上会起到增效作用。

     第三波打击来自核爆后的冲击波和残迹，持续时间为几百秒左右，电场强度进一步降低。但冲击波和核爆残骸导致的电离气体改变地磁场位形，造成类似地磁暴的效果，在地表产生感应电流，对电网形成威胁。

     高空核爆产生的电磁脉冲可以打击大片区域。若核爆发生在俄克拉荷马400公里上空，将会打击整个美国大陆。中国的国土面积与美国相当，同样发生在中部400公里上空的核爆可以覆盖整个中国大陆。

    

     核爆电磁脉冲的打击范围与核爆高度的关系

     1962年太平洋中部的“海星”(Starfish)高空核爆对1500公里之外的夏威夷群岛造成了冲击，包括熄灭了火奴鲁鲁300多街灯和中断了岛屿之间的微波远程通讯系统。

     太阳风暴与空间天气

     十余年后，大尺度太阳爆发现象被发现，称为太阳风暴。随着空间探测和研究的不断深入，人们逐渐认识到太阳风暴对空间环境具有巨大影响，它直接催生了一个新兴的交叉学科，即空间天气。太阳风暴引起的空间天气效应某种程度上与高空核爆类似，具体请参见前文“超级太阳风暴要来了，你准备好了吗？”，这里不再赘述。

    

     SDO卫星观测到的大尺度太阳爆发

     3月26日，美国总统川普签署一项行政命令，要求国土安全部、国防部、能源部、商务部和国家情报主任办公室等部门联合防范电磁脉冲的攻击。这是继2016年10月责成各大部委联合应对空间天气事件后的又一总统令，所不同的是这次把高空核爆和太阳风暴并列为现代文明的两大威胁。

     现代文明的特征是高度依赖电力和电子设备。电力缺失和电子设备瘫痪将直接影响医疗、交通、通讯、金融、水和食物供应等基础设施和国防系统。这些损害并非是单方面的，更重要的是各方面之间的相互依赖将造成难以估量的雪崩效应。

     相对于太阳风暴引起的空间天气，高空核爆产生的效应可称为“人为空间天气”(Anthropogenic space weather)。二者都可对现代文明造成灾难性后果。在现今社会，任何高空核爆行为都将被视为冒天下之大不韪，并会遭受核弹报复，所以高空核爆袭击的可能性很低。而太阳风暴则是必将发生、且不可避免的自然灾害。

     当我们回看这一段历史，发现高空核爆与人类进入太空时代几近同步，或者说太空时代是高空核爆的诱因。更加有趣的是，高空核爆作为太空时代早期主要的活动之一，为当时人类懵懂认知、现在所谓的空间天气提供了辅证。它从侧面警醒我们，现在必须正视太阳风暴对科技社会的危害和战略应对的紧迫性。

     来源：中国科学院国家空间科学中心

    

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