犹他州上空的极光，由国际空间站第 70 号远征队宇航员于 2023 年 10 月 28 日拍摄。 （图片来源：NASA）

今年五月初，我们目睹了一场惊人的极光，这展示了太阳风暴通过辐射释放的威力。但有时，太阳还会发生更具破坏性的事件。

太阳粒子事件

这些事件被称为“太阳粒子事件”，是质子从太阳表面爆发并射向太空。记录显示，大约每隔一千年，地球就会遭受一次极端太阳粒子事件的袭击，这可能会对臭氧层造成严重破坏，并增加地表紫外线（UV）辐射水平。

地球磁场的保护

地球磁场为我们提供了重要的保护，能够将来自太阳的带电辐射偏转开。正常情况下，地球磁场就像一个巨大的条形磁铁，磁力线从南极延伸到北极，形成一个保护层，使得只有一部分宇宙辐射能够到达高层大气，形成极光。

然而，地磁场会随着时间的推移发生变化。在过去的一个世纪里，北极以每年约40公里的速度移动，地磁场也减弱了6%以上。地质记录显示，地磁场在几个世纪或几千年的时间里，可能会变得非常弱，甚至完全消失。

地球磁场（蓝色）如何充当屏障，抵御来自太阳的粒子太阳风（橙色）。（图片来源：Koya979 / Shutterstock）

火星在远古时期失去了全球磁场，随之失去了大部分大气层。5月，一次强烈的太阳粒子事件袭击了火星，扰乱了火星奥德赛号航天器的运行，使得火星表面的辐射水平比胸部X光检查高出约30倍。

质子的威力

太阳的外层大气会发射出不断波动的电子和质子流，即“太阳风”。太阳表面也会偶尔发射能量爆发，称为太阳粒子事件，其中大部分是质子。质子比电子重得多，携带的能量也更多，因此它们可以到达地球大气层的较低高度，激发空气中的气体分子，但这些被激发的分子只会发射X射线，肉眼无法看到。

极端太阳粒子事件

每个太阳周期（大约11年）都会发生数百次弱太阳粒子事件，但地球历史上还发生过更强烈的事件。最近的一次极端事件发生在公元993年左右。

臭氧层减少与辐射增加

太阳粒子事件不仅直接影响地球，还会在高层大气中引发一系列化学反应，消耗臭氧层。臭氧层可以吸收有害的太阳紫外线辐射，而紫外线会损害视力和DNA，并增加皮肤癌的风险。

在我们的新研究中，我们使用全球大气化学模型来研究极端太阳粒子事件的影响。结果表明，这些事件可能会使臭氧水平在一年左右的时间内大幅减少，从而提高地表紫外线水平，并增加DNA损伤。如果这些事件发生在地磁场非常弱的时期，臭氧损伤将持续六年，使紫外线水平增加25%，并使DNA损伤率增加高达50%。

历史上的粒子爆炸

弱磁场和极端太阳质子事件的致命组合并不罕见。事实上，这种情况可能解释了地球历史上的一些神秘事件。比如，最近一次弱磁场时期（包括南北极的短暂转换）始于42,000年前，持续了约1,000年。这段时间见证了欧洲最后一批尼安德特人的消失以及澳大利亚巨型有袋动物的灭绝。

我们才刚刚开始探索太阳活动和地球磁场在生命历史中的作用。未来的研究将进一步揭示太阳活动对地球生态系统和生命进化的深远影响。