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  8月4日,新一轮“太阳风暴”抵达地球。所幸这次的风暴并没有人们想象中那么强烈,并没有给地球人的生活带来什么影响。而更重要的是,我们一天前就知道它要来了,甚至有时间专程去捕捉那些带电粒子穿过大气层时产生的美丽极光——这是一次人类成功预报太阳天气的典型案例。以人类目前的科技虽然无法抵消或回避太阳风暴,但可以通过太空天气预报提前准备,降低损失。目前最先进的美国太阳动力学观测卫星(SDO)可以提前3天预报太阳天气。
  人类科技越发达,太阳风暴影响越大 

英国《新科学家》杂志幻想过这样的景象:2012年9月22日的午夜,曼哈顿的夜空中出现摇曳的彩光。纽约人几乎从没有在如此靠南的纬度上看到过极光。但没待他们在这罕见的美景中沉浸多久,电灯泡开始明暗闪烁,突然暴亮一下之后便熄灭了。90秒钟之后,美国东部全部断电。它是一次强烈的风暴,来自1.5亿千米之外的太阳表面。


空客A380
太阳动力学观测卫星拍摄的极紫外线多波长太阳全景图。

科学家:太阳风暴能把美国变成发展中国家

所谓“太阳风暴”即是从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。这些带电粒子到达地球后会迅速扰乱地球磁场,可以造成通讯系统、GPS卫星失灵,被扰乱的磁场会在远距离输电线中产生电流,这些电流可能造成电网瘫痪。

历史上有记载的最严重的一次太阳风暴发生在1859年。那次事件以英国业余天文学家理查德·卡灵顿(Richard Carrington)的名字命名,卡灵顿事件造成了长达八天的恶劣空间天气。当时甚至有人在赤道附近地区目击到了极光。如果卡灵顿事件发生在今天,那么影响会更严重,因为科技越发达的社会受到的影响也越大。

太阳风暴所含的高能X射线、伽马射线以及带电粒子构成的巨大脉冲有可能摧毁所有围绕地球运转的人造天体,包括全球定位系统(GPS)以及人造通信卫星、载人航天器与国际空间站。另外,地球上的远距离输电线构成了巨大的天线,它们在太阳风暴中会形成电流冲击变电站,可能让全地球陷入一片黑暗——不但电力无法供给,臭氧层被破坏,电子通讯还可能全部停摆,比如医院、银行还有机场根本无法运作,更别说个人用的手机、电脑和卫星定位系统。它导致的经济损失可能达到1万亿到2万亿美元。有科学家曾经不无幽默地说,“超级太阳风暴”有可能让美国从发达国家变成发展中国家,这也不无可能。而《新科学家》的科幻场景之所以出现在2012年,是因为太阳活动有一个11年的自然周期,2012年刚好是太阳活动极大年。

  太阳活动周期预测:不是2012是2013 

上一次出现较强的太阳风暴是在2000年前后,因此理论上的下一次就应该是2012年。这与玛雅人语言的“世界末日”不谋而合,引起了许多人的恐慌。但实际上,最近一次“活动极小期”和以往有所区别,因为太阳似乎在启动新一轮的活动周期上出现了麻烦,从而使下一个太阳活动极大年往后延迟了一年——不是2012,而是2013。


波音dreamliner
8月3日,NASA公布了引起这次太阳风暴的耀斑爆发照片,耀斑下的太阳黑子足有地球大小。
A380的紧急疏散问题
效果图:太阳风暴影响地球。当太阳风掠过地球时,会使电磁场发生变化,引起地磁暴、电离层暴。
A380的紧急疏散问题
当前这一轮太阳活动周期(23周期)中的黑子计数统计曲线:2000年中达到高峰,太阳黑子数大大超过以往10年。

太阳黑子起伏周期约为11年

太阳黑子是观测太阳内在磁场活动的窗口。当太阳内部深处形成巨大的磁力环,该处将会产生井喷并突破太阳表面,从而使表面的局部地区温度下降,看上去就像一个暗斑,这就是黑子的形成。黑子数目的任何改变都反映了太阳内部活动的变化。对于这些,数个世纪以来的天文学家都一一记录了下来。源于他们的成果,我们清楚了太阳黑子数目的起伏周期大约为11年。当每11年周期终结时,太阳黑子数目将会下降,太阳风暴会衰减,所有都会风平浪静。这个“太阳活动极小期” 并不长久,在一年以内,黑子和风暴将逐渐变强,一个新的太阳活动高潮即将降临。

新一轮太阳活动周期启动延迟

到目前为止,人类对太阳黑子数量较为完整的记录积累了23个周期。上一次出现较强的太阳风暴是在2000年前后,因此理论上的下一次就应该是2012年。这与玛雅人语言的“世界末日”不谋而合,引起了许多人的恐慌。但实际上,最近一次“活动极小期”和以往有所区别,因为太阳似乎在启动新一轮的活动周期上出现了麻烦。

太阳从2007年末开始平静下来。2008年表现得比预测中更为平静。这一年,太阳在73%的时间内没有黑子,这即使对于“活动极小期”来说也是极端的低点。2009年,太阳的了无生气一直延续下来,直到12月中旬,一组最大的可持续数年的太阳黑子出现了。进入2010年,天文学家发现4月份以来太阳活动明显增加,再次爆发并且释放出大量粒子,形成的太阳耀斑一度接近太阳直径的四分之一,但此次太阳粒子的喷发方向并未朝向地球。科学家相信,这预示着太阳正进入一个新的活跃周期,而下一个太阳活动极大年,则比以往预估的要晚上大约一年,即2013年。这也是为什么美国美国宇航局的科学家、政府决策者和研究员6月份在华盛顿召开的太空天气方高峰论坛上罕见发出警告的原因。

第24太阳周期是弱周期?

就峰值大小预测而言,2009年之前有一部分科学家倾向于认为是第24周期可能是太阳活动的强周期。他们采用太阳发电机理论模型并结合黑子观测数据,预测第24周峰值比第23周期高40%。但是这一结论遭到了另一部分科学家的反对,其中包括提出这个理论模型的印度科学家。这位印度科学家和中国科学家联合,用同样的理论模型进行计算,得出的结果是第24周期的峰值比第23周低30%。出现这种严重分歧的原因在于如何看待已经过去的周期对未来周期的影响,本质上是如何判断太阳内部的运动状况,如何获取太阳内部磁场(黑子)产生区域的真实状态。综合近三年太阳黑子数量的变化情况,目前科学家普遍认为太阳活动的第24周期不会是强周期,而是弱周期。

但是,所谓太阳活动周期的强弱,主要指的是太阳黑子数峰值的多少。在太阳活动的一个周期里,太阳黑子数量最多的那一年,被称之为“峰年”。但是,这与是否产生“超级太阳风暴”没有直接关联。比如1859年的“超级太阳风暴”强度很大,对地球产生重大影响,强烈干扰了刚刚建立起来的电报网络。但这次“超级太阳风暴”是第10周峰年之前发生的。所以对太阳风暴的预测,最好的办法依然是用卫星来对太阳活动进行全方位的监控。

  人类科技极限:提前三天预报太阳天气 

美国专家认为,以人类目前的科技虽然无法抵消或回避太阳风暴,但可以提前准备,降低损失。届时,可以把卫星置于“安全模式”,关闭变压器,可以使相关资产免受异常电流的冲击。事实上,现在的太空预报技术和50年前没有什么太大的变化。但值得欣慰的是,由于我们卫星360°的全方位监测,太阳活动的细微变化也无可遁逃。目前美国的太阳动力学观测卫星(SDO)可以提前3天预报太阳天气。


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2010年2月11日,太阳动力学观测卫星(SDO)发射升空的画面。图片来源:NASA
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太阳动力学观测卫星(SDO)拍摄到的日珥喷发景象。
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根据电子爆发的数据计算随后就到的离子爆发规模,图为CONSTEP收集后的数据分析矩阵。

美国SDO卫星:提前3天预报太阳天气

太阳动力学观测卫星(SDO)是美国国家宇航局今年2月11日刚刚发射升空的,耗资8560万美元。估计就连科学家们也没料到,这个刚刚到任的监测员就为8月4日的太阳风暴预报立下一个大功。这枚太阳动力学卫星不仅能够监测太阳黑子的表征动向,还能扎根于黑子内部,找出黑子内部带电粒子爆发的根源与时间。同时,通过收集太阳表面辐射的数据,也能进一步辅佐深层探析的进行。

SDO卫星的工作由三部分组成。首先,SDO能够描绘太阳表面磁场中离子体的变化,以及侦察表层下引起湍动等离子体变化的原因,从而推断出磁场变化的内在机制。同时,观察这些带电离子体也有助于太阳能发电厂的研发,因为我们也许能够通过类太阳能聚变的方式创造能量。其次,SDO卫星会测量太阳紫外线的照射。因为紫外线的长时间照射会引起地球上层空气升温,以及伤害人类健康等等不良后果;此外,它对于太空中的空间站,SDO卫星本身,以及一些气象、导航卫星也会造成影响。监测紫外线的信息不仅能够单纯地抵御紫外线袭击,也能在一定程度上反应太阳的活动状态,为深层研究提供资料来源。最后,SDO还能够在同一时间内观察太阳8个不同方位上产生的波长,而且每10秒钟就要提取一个画面传输回卫星。这种与时间的赛跑也在一定程度上提高了太空天气预报的速度。

SOHO卫星:提前7-74分钟为太空飞行器做预警

SOHO是NASA和欧洲航天局在1995年合作发射的观测卫星,在SDO卫星发射之前,它是人类检测太阳天气的主力。SOHO卫星只负责观测吹往地球方向的太阳风,以及监测地球高层空气是否被干扰而产生地磁场的失真。而其实它的寿命也早已超过了零界点,并且曾经一度瘫痪。但美国西南研究所的工作人员在SOHO上开发了一种新的检测技术,使它起死回生,并且能够在真正恶劣的太阳风暴来临一小时前做到预报。也许你会问,一小时有什么用,SDO能够预报3天或者更久以前的。但这一小时是针对太空中的飞船、空间站、以及地面控制台所言的。虽然我们知道也许几天以后会有一轮太阳活动,但确切的时间并没有敲定,这种方法就是能够较为准确的监测太阳风暴到来的具体时辰。一小时的时间内,宇航员可以进入太空仓的封闭装置以躲避撞击,地面控制员亦可进行各种准备,把飞船或一些近地卫星调到预警状态。这种技术就是SOHO卫星上的COSTEP装置。

事实上,每一次的太阳风暴都是由电子、质子、重离子及一些其他物质组成。由于电子轻且快,我们可以把它比作先锋部队,质子后来压上,而离子则是由将军率领、最后大举压上的致命一击。因此只要摸清先锋部队(初期分子)爆发的时间以及密度,就能大概推断出离子最后压上的时间,从而做到预报太阳风暴的效果。而COSTEP的作用就是记录电子、离子、质子等太阳微粒的速度、密度等相关数据,从而测量它们的能量威力用以推断离子爆发的最终规模。根据科学家2003年做出的实验,对于1996年到2002年的太阳活动预报,COSTEP做的都算及格,预报提前时间在7到74分钟不等。

日地关系天文台(STEREO):多角度拍摄太阳的立体图像

另一架目前运行中的太阳探测器是美国宇航局2006年发射的日地关系天文台(STEREO),这是一对观测卫星,它能够与SOHO一起从三个角度拍摄太阳的立体图像,覆盖太阳表面的90%。过去,太阳黑子可能藏在太阳的远地端,从地球上无法看到,但它可能突然转到近地端,发生耀斑和喷发日冕物质,对地球实施突然袭击。有了STEREO,就可全程观测太阳活动,不再害怕突然袭击。


 
   未来几年,美国宇航局和欧洲空间局计划发射更多的太阳探测器,而中国的太阳极轨射电望远镜计划也计划在2017年发射,这有助于对太阳风暴作出更精确的预测——在我们得知太阳风暴要光临之后,还是可以做些事情的。宇航员和太空工作者们需要准备紧张的抗击设施;对于普通市民来说,可以避免出门以防被紫外线晒伤而对DNA产生影响;而通信方面的问题我们也只能尽量逃避,不要使用手机、传真、无线电等通讯工具,就连电视、电脑等联网家用电器都应该避免开启。总之,小风暴您不用怕,大风暴怕也没有用。

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编辑、视觉:陈子宇 独家内容合作:博闻网   

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