太陽發生大爆炸，地球會因此停電嗎？
― 史上最大的太陽風暴中，電報線竟自己動了起來
會的。1989年，加拿大魁北克省就曾因太陽風暴而引發停電，波及約600萬人。奇妙的是，並不是太陽的電直接傳了過來。地球磁場一旦被擾動，地面本身就會產生微弱的「推動電荷的力」。而把這股力量沿著數百公里累積起來的，正是長長的電線。
1859年9月的某個夜晚。美國一處電報局裡，值班人員正感到困惑。機器自己發出喀喀聲，紙上還冒出火花，聞得到燒焦味。
於是，他們試著把電池拔掉。結果沒有電池，竟然還能和遠方的電報局通訊。同一時刻，平常看不到極光的南方國家，天空也被染成了紅色。
這就是有記錄以來史上最大的太陽風暴——「卡靈頓事件」。如果現在再次發生同樣的事，我們的生活會變成怎樣呢？
太陽爆炸會影響地面電線，原因只有兩個
太陽表面發生大爆炸時，會噴出一大片帶電氣體雲。這團雲氣撞上地球後，包覆地球的磁場（地磁）會持續數小時劇烈搖動。
磁場一旦變化，周圍就會產生推動電荷的力。地面上這個力只有每公里數伏特，非常微弱。然而數百公里長的電線，卻會把它從頭到尾一點一點加總起來。
也就是說，並不是太陽的電直接竄進電線。而是地球磁場被搖動後，讓地面上的長電線自己「生出」電來。接下來我們依序來看。
太陽噴出的雲氣，比平常快了好幾倍抵達
太陽平常就會持續吹出一種叫做「太陽風」的氣體流，速度約每秒400公里，一般要花上4天左右才能到達地球。
但發生大爆炸時，會一次噴出更濃密、更快速的氣體雲，稱為「日冕物質拋射」。1859年那次的雲氣，據推估在爆炸後僅約17.6小時就抵達地球，換算下來速度超過每秒2000公里。
這團雲氣本身也帶有磁場。如果它的方向與地球磁場相反，兩者就會連結在一起，讓雲氣的能量灌入地球周圍。這種讓地磁大幅搖動的狀態，稱為「磁暴」。極光擴散到南方天空，也是在這個時候發生的（極光的原理可參考為什麼極光只能在北極或南極附近看到？一文）。
電線越長，產生的電壓就越大
磁場隨時間變化時，周圍就會產生推動電荷的力（電場）。這和發電機的原理相同，稱為「電磁感應」。磁暴發生時，這股微弱的電場會擴散到腳下整片地面。
在大型磁暴中，地面電場據估計約為每公里數伏特，弱得和一顆乾電池差不多。然而電線卻會把沿途的電壓逐段累加起來。請試著用圖1的滑桿改變電線的長度。
看圖1的下段可以發現，家中短短的配線幾乎不會有任何影響。真正危險的是跨越國家或州界的長距離輸電線。過去的電報線，正是這種長電線。1859年即使拔掉電池也能通訊，據推測正是因為這個原因。
2000伏特對輸電線來說不算小嗎？
輸電線原本就流著數十萬伏特的電。相比之下，2000伏特看起來很小。問題在於電的「種類」不同。
輸電線的電是方向每秒變換數十次的「交流電」。而磁暴產生的電，則要花上好幾分鐘才慢慢變化，幾乎是朝同一方向流動的「直流電」。變電所裡的變壓器是為交流電設計的，一旦混入直流電，鐵芯就會被磁力「餵飽」而飽和。結果變壓器發熱，維持電壓的機制也無法正常運作。
1989年3月，魁北克正是因為保護裝置接連啟動，導致整個輸電網約在90秒內全面停止運作。復電花了約9小時。
2024年5月發生的大型磁暴中，北海道等地拍到了紅色極光，這稱為「低緯度極光」。據推估，1859年的太陽風暴比這次還更強。這發生在卡靈頓用望遠鏡觀測到太陽爆炸的約18小時之後。
磁暴發生時，地球高空的大氣層也會受到擾動。因此手機定位所用的衛星訊號可能出現偏差，短波無線電也可能變得難以接收。甚至人造衛星本身，也可能因撞上膨脹的大氣而降低高度。
總結
太陽大爆炸噴出的氣體雲，會大幅擾動地球磁場。磁場一變化，地面就會產生每公里數伏特的微弱電場。數百公里長的輸電線會把這股電場累加起來，並把直流電混入變電所的變壓器中。就這樣，太陽風暴有可能導致地面停電。如今各國都在監測太陽，並運作一套能提前通報風暴到來的機制（宇宙天氣預報）。我們能做的，就是做好和平常停電時一樣的準備。
不是太陽的電直接傳來。
而是被搖動的地磁，讓長電線自己生出了電。
打雷時電流竄入電線的故事，請見打雷時，插座真的該拔掉嗎？；地球為什麼是個磁鐵，請見指南針的針為什麼會指向北方？一文。
- 打開日本情報通信研究機構（NICT）的「宇宙天氣預報」頁面，看看今天太陽的活動與地磁的狀態。
- 日本氣象廳地磁觀測所的網頁上，一旦發生磁暴就會發布「磁暴速報」。發布時，可以看到地磁圖表大幅起伏的樣子。
- 如果報導出現大型磁暴的那晚，可以到燈光較少的地方，用手機相機對著北方天空拉長曝光拍攝。即使肉眼看不見，有時也能拍到紅色的光。
從太陽爆炸到影響地球，通常需要1到3天左右。看了預報後還能耐心等待天空的變化，也是宇宙天氣有趣的地方。
想了解更多 ― 術語、公式與教科書的對應從中學理科到大學專業科目，皆明確標示所屬程度
- 中學中學理科課程範圍
- 高中高中「物理」「地球科學」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（電磁學、太空物理學）的內容
- 研究即使在大學也尚未被當作「定論」教授，是研究人員正在調查中的議題
中學術語：這個現象是有名字的
- 日冕物質拋射：從太陽外層大氣（日冕）噴出一大片帶電氣體雲的現象。
- 磁暴：受太陽氣體影響，地球磁場（地磁）在數小時至數天內大幅紊亂的現象。
- 電磁感應：磁場發生變化時，周圍會產生試圖驅動電流的電壓的現象。中學二年級理科課程會學到。
- 地磁感應電流：磁暴發生時，流入輸電線、油氣管線等長導體中的電流。
中學高中用公式驗證：1000公里的電線會產生多少伏特？
假設地面電場均勻分布，計算電線兩端之間產生的電壓。同時也算出1859年那團氣體雲的速度。
| 用符號表示 | V ＝ E × L |
| 用文字表示 | 電線產生的電壓 ＝ 地面電場（每公里的電壓） × 電線長度 |
| 公式的來源 | 法拉第電磁感應定律。地磁隨時間變化時，地面會產生電場。電壓就是把這個電場沿路徑累加起來的結果 |
| 符號 | 意義與單位 |
| V | 電線兩端之間產生的電壓（伏特） |
| E | 地面電場強度（每公里的伏特數） |
| L | 電線長度（km） |
| 大型磁暴時地面電場 | 估計每公里數伏特（此處取2伏特） |
| 長距離輸電線長度 | 1000 km |
| 家中配線長度 | 30 m（0.03 km） |
| 太陽與地球的距離 | 約1億5000萬 km |
| 1859年雲氣抵達所需時間 | 約17.6小時 |
| 輸電線產生的電壓（V） | 2 × 1000 ＝ 2000 |
| 是家用插座100伏特的幾倍 | 2000 ÷ 100 ＝ 20 |
| 家中配線產生的電壓（V） | 2 × 0.03 ＝ 0.06 |
| 17.6小時換算成秒 | 17.6 × 3600 ＝ 63360 |
| 1859年雲氣的速度（km/秒） | 150000000 ÷ 63360 ≒ 2367 |
| 若是一般太陽風（秒速400km）需多少秒 | 150000000 ÷ 400 ＝ 375000 |
| 換算成天數 | 375000 ÷ 86400 ≒ 4.3 |
同樣在這片地面上，1000公里的輸電線會產生2000伏特，而30公尺的家用配線只有0.06伏特。造成差異的不是風暴的強度，而是電線的長度。1859年的那團雲氣，走完了一般太陽風需要4天以上才能走完的距離，卻連一天都不到。
高中高中＋為什麼「直流電」會造成麻煩
高中變壓器是利用交流電使鐵芯中的磁通量變化，透過電磁感應來改變電壓的裝置。這在高中物理「交流電」與「變壓器」單元會學到。
高中＋磁暴產生的電流變化週期為數分鐘到數十分鐘，相較於交流電每秒50～60次的變化，幾乎可視為直流電。這股電流若從變壓器的中性點接地流入，鐵芯的磁通量會偏向一側。於是鐵芯發生磁飽和，據認為會導致電流失真、發熱，以及多消耗無效功率。
大學地面電場的大小，取決於大地的導電難易程度
地面電場的大小，不只取決於地磁變化的快慢，地下的電導率也會造成很大差異。在不易導電的古老岩層上，電場會變得更強，魁北克省的地質正是典型例子。把地下視為平坦分層來計算的方法，稱為「地磁大地電磁法」，也被用於地下探勘。地磁紊亂的程度以「Dst指數」表示，1989年時約為−589奈特斯拉。1859年的數值則估計在−850到−1700奈特斯拉之間，範圍較大。
📖 公式推導與更深入內容：電磁感應（日文維基百科） ／ 磁暴（日文維基百科）
研究目前尚未完全明朗的事
- 1859年那次風暴究竟有多強？ 當時的地磁記錄很少，強度的推估範圍很大。也有研究正在討論，從樹木年輪中殘留的碳含量來看，過去是否曾發生過更強烈的太陽風暴。
- 同等規模的風暴，下一次會在何時發生？ 雖有研究估算每十年的發生機率，但不同研究得出的數值並不一致。
- 能否在抵達前就知道雲氣磁場的方向？ 決定損害大小的關鍵是雲氣磁場的方向，但要得知這一點，只能等它經過地球前方的觀測衛星時才行，據估計大約是抵達前1小時左右。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內」的說明。宇宙天氣預報，正走在天氣預報曾走過的同一條路上。
與教科書的對應（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文位置 |
|---|---|---|
| 中學 | 理科二年級「電流與磁場」電磁感應 | 磁場變化產生電壓 |
| 高中 | 物理「電磁感應與交流電」、地球科學「太陽與地球」 | 變壓器、太陽風與地磁 |
| 高中＋ | 物理（進階）磁飽和 | 直流電為何讓變壓器困擾 |
| 大學 | 電磁學、太空物理學、地球電磁學 | 大地導電率與地面電場、Dst指數 |
| 研究 | 宇宙天氣預報、古老太陽風暴的重建 | 尚未明朗之處 |
| ― | 與生活的連結 | 停電準備、衛星定位偏差、極光觀測 |
- 日本情報通信研究機構（NICT）「宇宙天氣預報」
- 日本氣象廳地磁觀測所
- 1859年的太陽風暴（日文維基百科）
- Boteler, D. H. (2019). A 21st Century View of the March 1989 Magnetic Storm. Space Weather, 17.
- Tsurutani, B. T. et al. (2003). The extreme magnetic storm of 1–2 September 1859. Journal of Geophysical Research, 108(A7).
※本文為一般大眾科普解說。文中數值為理解原理所用的參考估算值。遇到停電或通訊障礙時，請依照電力公司、地方政府等單位的指示處理。