1989年3月13日的凌晨，美国纽约州的山姆被电话铃声吵醒了。朋友打电话让他看窗外。揉揉惺忪的睡眼，山姆打开窗户望向北边的天空，他被眼前的景象惊呆了。蓝黑色的夜空中，梦幻一般的粉红色条带，仿佛一条巨大的纱幔在飞舞。山姆连忙叫醒家人，和他们一起欣赏这难得一见的美景。
当时拍到的极光照片（图片来自网路，拍摄者：Ken Spencer）
就在纽约州以北几百公里的魁北克省，同时发生着一场静悄悄的大停电。停电的时候沒有风暴，也沒有暴风雪，是一次沒有任何预警的停电事故。停电发生在凌晨2点45分，记录显示，当时的室外温度是摄氏零下16到零下20度。在停电后，暖气也停止了供应，室内气温急剧下降。当山姆被朋友的电话叫醒的同时，不知道有多少魁北克人被冻醒，然后意外地发现停电了。
资料和图片来自网站：http://climate.weather.gc.ca
这次停电延续了9个小时。第二天早上，蒙特利尔市的地下隧道因为停电关闭，行人不得不顶着寒风在地面上行走。开车族面对黑漆漆的交通灯不知所措，交通一片混乱。当上班族好不容易来到上班地点，却发现公司大楼一团漆黑，电梯停运。人们聚集在大楼门口，等待着电力恢復。
停电使得地铁停运，学校停课，魁北克的多瓦尔机场也被迫关闭，一些航班被取消。这是一次沒有预先通知的大面积停电，魁北克省的大部分地区都遭遇了这次停电，加上北美其他部分地区，受影响的人数高达600万，直接经济损失数以亿计。
在这次停电事故中，最尴尬的是魁北克电力。面对这次突如其来的大停电，他们一开始找不出问题的根本原因，把责任推到一段老旧的缐路上，却完全忘记了就在停电之前不到一年，公司曾许诺投资20亿美金来改善缐路，减少停电发生。说好的改善缐路呢？说好的减少停电呢？有的市民甚至提请政府调查魁北克电力是不是有怠忽职守的行为。
当时很少有人把这次停电事故和同时发生的极光联系起来。极光通常只能在高纬度地区，比如北边的瑞典、加拿大或者俄罗斯才能看到。这次极光的范围非常之广，在美国南部的佛罗里达州都能看到。极光非常奇特，又正处在冷战末期。有人甚至以为是当时的苏联发射了核武器，还有人错误地把这次极光和当天发射的“发现号”太空梭联系起来。
引发极光和魁北克停电事故的原因就是磁暴。地球本身就是一个巨大的磁铁，它的磁场保护着地球上的生命不会遭受宇宙射缐的辐射，也保护着地球上的大气不会逃走。磁暴是地磁场的大幅度扰动。1989年3月13日发生的磁暴非常强烈，Dst 指数达到了-500nT以上。（科学家利用Dst指数描述磁暴的强度，Dst指数达到-100nT 就是强磁暴，达到-300nT以上就是超强磁暴。）
磁暴是怎么发生的？什么情况下会有超强磁暴？为什么会引发停电和极光？
引发磁暴的根本原因是来自太阳的太阳风暴。就在3月9日，太阳上发生了一次暴发，瞬间发出的能量相当于成千上万颗原子弹爆炸，喷发出的等离子体流高速撞向地球。这次太阳爆发虽然强烈，但还不足以导致-500nT的超强磁暴。第二天（3月10日）又有一个更强烈的太阳爆发，比之前那次更勐，速度也更快，爆发出的等离子体云追上了之前的等离子体云，组成了一个新的更加有力的等离子体云团组合结构，当这个结构在3月13日撞上地球时，强烈地挤压了地球的磁场，引发了一个超强的大磁暴。
太阳风和地球磁场
地磁场的扰动为什么会引发停电？我们都知道，拿一个磁铁在导缐圈附近晃动，导缐圈就会产生电流。发电机就是利用这个原理发电的，不过在发电机中，转动的是导缐圈而不是磁铁。地磁场扰动，相当于地球这个大磁铁在晃动，结果在输电缐路上产生了感生电流。由于这次磁暴特別强烈，因此产生的电流也特別强，导致输电缐路严重超载，引发了这次的停电事故。
图片来自网路
极光可以说是太阳风暴引发磁暴的一个副产品。伴随着太阳风暴，来自太阳的高能粒子也会到达地球，磁暴也会在地球附近的空间产生一些高能粒子，当这些粒子沿着极区地磁场的开口进入地球大气层时，会激发大气中的原子、分子发出各种颜色的光，这就是我们在地面上看到的极光。
北美地区图，黄色的地方是停电的魁北克省（图片来源ssl.berkeley.edu）
现在问题来了，为什么地球上其他地区不停电？事实上，这次磁暴在北美引发了大面积的电网扰动（美国有一台高压变压器直接被烧毁了），但是沒有引起大面积的停电事故。具体说来，磁暴对于地面上不同区域的影响是一个复杂的科学问题，一个最简单的规律就是，离地磁南、北极越近的地方，磁暴影响越大。魁北克停电事故发生时的地磁北极位于加拿大北部，因此，距离加拿大北部更近的魁北克也比美国大部分地区离磁极近多了，所以受到的影响更大。
得知引发停电事故真正原因的魁北克电力终于松了一口气，随后他们宣佈，这次停电不是我们的错，是因为我们所处的地理位置。
地磁场北极在移动
我国所处的地理位置离地磁场的北极比较远，而且最近太阳处于活动低年，太阳活动少，就连强磁暴都很少发生，更不用说超强磁暴了，但並不能因此放松警惕。已经有研究表明，2012和2017年都有类似1989年的超级太阳风暴发生，只不过沒有对准地球，所以沒有在地球上引发磁暴。另一方面，地磁北极在不断的变换位置，现在正从加拿大北部朝俄罗斯方向移动。我国也不能掉以轻心。
欧洲空间局和中国合作研制的SMILE 卫星计画，研究地球空间环境对太阳风暴的回应，揭示磁暴发生的规律。（图片来源：欧空局）
*作者文章观点，不代表有得拣活动平台立场。
原创 刘勇 中科院之声 2019年
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刘勇
中国航太科普大使、中国科学院国家空间科学中心研究员、中国空间科学学会科普工作委员会主任、中国空间科学学会空间科学传播专家工作室执行主任、中国科协科学家精神演讲团成员、中国科技馆专家志愿者、中国科学院科普演讲团成员、科普中国科普专家、《科普时报》太空科普专栏主持人、中国科普作家协会理事、航太科技教育联盟特约专家、太空授课专家组成员、北京市西城区科学家-教师联盟理事长、北京小学科学教育指导专家。参与了我国“天问一号”火星探测任务。
上载日期：2024.12.15