从2024年5月10日开始的地磁风暴产生了令人惊叹的北极光，更常见的是北极光，远在墨西哥南部都能看到。它们也给农民带来了麻烦，他们的gps引导拖拉机在播种季节中途闲置。
地磁风暴发生时，一个被称为等离子体的过热气体的大气泡从太阳表面喷出并撞击地球。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质子和电子云组成，它们是带电粒子。当这些粒子到达地球时，它们会与环绕地球的磁场相互作用。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。
2024年5月的这场风暴，在美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration)的1到5地磁风暴等级中被评为G5级，它对GPS通信的干扰足以使需要厘米级精度的拖拉机制导失效。更强的风暴会造成更严重的后果。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
更强的太阳风暴已经发生，其中一次对最早的电子技术造成了严重破坏。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。电报员报告说，他们受到电击，电报纸着火，并且能够在电池断开的情况下操作设备。在晚上，远在哥伦比亚南部都能看到北极光。通常，这些光只在高纬度地区可见，如加拿大北部、斯堪的纳维亚半岛和西伯利亚。
世界在那一天所经历的，现在被称为卡灵顿事件，是有记录以来最大的地磁风暴，比2024年5月的风暴强得多。
自19世纪初以来，地磁风暴就有了记录，南极冰芯样本的科学数据显示，公元774年左右发生了一次更大规模的地磁风暴，被称为“三宅事件”。那次太阳耀斑产生了有史以来最大、最快的碳-14上升。地磁风暴在地球上层大气中引发了大量的宇宙射线，这反过来又产生了碳的放射性同位素碳-14。
在公元993年左右发生了一次比三宅事件小60%的地磁风暴。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风暴平均每500年发生一次。
科学家们能够根据当时天文台记录的地球磁场波动来估计卡灵顿事件的强度。没有办法测量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的增加。三宅事件导致碳-14增加了12%。相比之下，卡灵顿事件产生的碳-14增加不到1%，因此三宅事件可能使G5卡灵顿事件相形见绌。
切断电源
今天，与卡灵顿事件强度相同的地磁风暴影响的远不止电报线路，而且可能是灾难性的。随着对电力和新兴技术的日益依赖，任何中断都可能导致数万亿美元的经济损失，并危及依赖这些系统的生命。这场风暴将影响人们每天使用的大部分电力系统。美国国家气象局运营着空间天气预报中心，该中心负责监测可能导致地磁风暴的太阳耀斑。
地磁风暴产生感应电流，通过电网。地磁感应电流，可以超过100安培，流入连接到电网的电子元件，如变压器，继电器和传感器。100安培相当于许多家庭的用电量。这种大小的电流会导致元件内部损坏，导致大规模停电。
1989年3月，加拿大魁北克发生了一次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。在风暴期间，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。在这次事故中，停电导致500万人断电9小时。
打破连接
除了电力故障外，全球范围内的通信也将中断。互联网服务提供商可能会倒闭，这反过来又会削弱不同系统之间相互通信的能力。地对空、短波和船对岸无线电等高频通信系统将受到干扰。地球轨道上的卫星可能会因地磁风暴产生的感应电流烧坏它们的电路板而受损。这将导致卫星电话、互联网、广播和电视的中断。
此外，当地磁风暴袭击地球时，太阳活动的增加会导致大气向外膨胀。这种膨胀改变了卫星轨道所在的大气密度。高密度的大气会对卫星产生阻力，使其减速。如果它不被操纵到更高的轨道上，它就会掉回地球。
另一个可能影响日常生活的颠覆领域是导航系统。从汽车到飞机，几乎每一种交通方式都使用GPS进行导航和跟踪。即使是手机、智能手表和跟踪标签等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，这将阻碍国防。
就互联网而言，卡灵顿事件规模的地磁风暴可能会在海底和地面电缆中产生地磁感应电流，这些电缆构成了互联网的主干，也构成了存储和处理从电子邮件、短信到科学数据集和人工智能工具等一切信息的数据中心。这可能会破坏整个网络，并阻止服务器相互连接。
只是时间问题
地球遭受另一场大型地磁风暴袭击只是时间问题。一场卡灵顿事件大小的风暴将对全球的电力和通信系统造成极大的破坏，造成持续数周的中断。如果这场风暴达到“三宅事件”的规模，其后果将是灾难性的，可能导致持续数月甚至更长时间的停电。即使有美国国家海洋和大气管理局的太空天气预报中心发出的太空天气预警，世界也只有几分钟到几个小时的时间。
我认为，继续研究保护电力系统免受地磁风暴影响的方法是至关重要的，例如，安装可以屏蔽变压器等脆弱设备的设备，以及制定在太阳风暴即将袭来时调整电网负荷的策略。简而言之，重要的是现在要努力将下一次卡灵顿事件的干扰降到最低。
本文最初发表于The Conversation网站。
David Wallace，密西西比州立大学电子工程助理临床教授
