２０１２太空天氣預(yù)報

太陽活動高峰又要來了。太陽醒了，它會不會毀滅掉信息化的文明世界，就像電影《先知》里那樣?科學(xué)家們之間也在爭論不休。

整個2008年，太陽活動處于百年不遇的低潮，不知道還有沒有人記得2003年那個非比尋常的萬圣節(jié)。當(dāng)時在美國加州中部上空出現(xiàn)了罕見的極光，這本來只有在千里之外的阿拉斯加才能看見。全球范圍內(nèi)的通訊受到干擾:海事衛(wèi)星電話系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致珠峰探險隊(duì)通訊中斷;全球定位系統(tǒng)(GPS)的精度降到了50米甚至更低;穿越高緯度地區(qū)的航班受到的影響最大，不得不啟用了備用通訊系統(tǒng)，許多航班改變航線、降低高度導(dǎo)致航線擁擠，光是多消耗的燃油，就使得全球民航業(yè)損失了數(shù)百萬美元;瑞典有5萬人的電力供應(yīng)中斷;美國宇航局的半數(shù)衛(wèi)星出現(xiàn)故障，日本的一顆氣象衛(wèi)星與地面失去了聯(lián)系;國際空間站上的機(jī)械臂被關(guān)閉，兩名宇航員緊急轉(zhuǎn)移至射線防護(hù)效果最好的生活艙。

這就是上一個太陽活動峰年的“太陽風(fēng)暴”。它是“空間天氣”的主要研究對象。就像大氣里的災(zāi)難性風(fēng)暴天氣，太陽活動也會造成災(zāi)難性的空間天氣現(xiàn)象。太陽活動由它的磁場所驅(qū)動，到了太陽活動峰年，黑子——太陽表面磁場紐結(jié)形成的暗斑——以及耀斑就會大批出現(xiàn)，太陽上的磁場會“吹”出帶電粒子流，被稱為太陽風(fēng)。黑子和耀斑會在太陽風(fēng)中形成湍流，向宇宙空間噴射大量的帶電粒子流。

新的太陽活動周期剛剛開始，下一個挑戰(zhàn)不久就將到來。2012年或者2013年太陽活動會出現(xiàn)極大，那個時候太陽上會出現(xiàn)巨大的黑子、耀斑，而最大的危害發(fā)生在更外層的太陽日冕中，伴隨著磁場能量的瞬間劇烈釋放，數(shù)十億噸的等離子體會被拋射到宇宙空間，形成日冕物質(zhì)拋射(CME)。如果CME不幸擊中地球磁場，就會造成嚴(yán)重的結(jié)果。

襲擊地球的完美風(fēng)暴

空間天氣和人類關(guān)系密切，太陽風(fēng)暴可能對高度信息化的人類社會以災(zāi)難性打擊。首當(dāng)其沖的受害者是人造衛(wèi)星。2000年7月14日，日本的“宇宙學(xué)和天體物理高新衛(wèi)星”(ASCA)在太陽風(fēng)暴中失去能源，姿態(tài)失控，幾個月后便墜入了大氣層。在幾個小時內(nèi)，太陽風(fēng)暴就能使人造衛(wèi)星的壽命縮短大約兩年。因?yàn)閹щ娏Ｗ訒治g衛(wèi)星的太陽能電池板，同時它還會在電路中引發(fā)錯誤的指令，或者造成放電等衛(wèi)星故障。此外，太陽風(fēng)暴能量的注入會使得地球大氣層膨脹，增加了低軌衛(wèi)星的大氣阻尼，讓它們提早墜落。

接下來毀壞的是供電系統(tǒng)。1989年3月13日，加拿大魁北克省有600萬人在沒有電力的情況下度過了9個小時，因?yàn)樘栵L(fēng)暴毀壞了電網(wǎng)中的變壓器。侵入的等離子體會造成地球磁場的快速變化，變化的磁場在電網(wǎng)中誘導(dǎo)產(chǎn)生電流。但是電網(wǎng)的設(shè)計無法應(yīng)付這些直流電，于是最大的危險就會出現(xiàn)在電網(wǎng)中造價高昂且難于更換的變壓器上。不斷上升的直流電會產(chǎn)生強(qiáng)磁場，它會使得不堪重負(fù)的變壓器磁核飽和，其結(jié)果就是變壓器的銅線升溫熔化。

太陽風(fēng)暴還會影響G P S的無線電信號。它不僅會干擾傳播信號的電離層，還會產(chǎn)生額外的噪音信號。在2003年萬圣節(jié)的太陽風(fēng)暴中，除了民航客機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)受到影響，太陽風(fēng)暴中的高能粒子還干擾了飛機(jī)的無線電通訊。特別是對于高緯度地區(qū)的航線，由于地球磁場的保護(hù)作用較弱，太陽風(fēng)暴甚至?xí)沟煤桨喔淖兒骄€達(dá)數(shù)天之久。當(dāng)人類生活越來越依賴于信息化，科學(xué)家們也越來越渴望能對這些“空間天氣”進(jìn)行精確的預(yù)報。

太陽風(fēng)暴的前哨

事實(shí)上，現(xiàn)在的空間天氣預(yù)報就像是上個世紀(jì)60年代的天氣預(yù)報:一旦察覺到有太陽風(fēng)暴發(fā)生的征兆，就發(fā)出預(yù)警讓人們做好準(zhǔn)備。最早的空間天氣預(yù)報員，是使用地面上的望遠(yuǎn)鏡來觀測太陽黑子、耀斑以及其他的可能引發(fā)太陽風(fēng)暴的活動。但是在地球和太陽之間，沒有能用來監(jiān)測來襲太陽風(fēng)暴的“前哨”。這就像是只利用廣州氣象站的觀測數(shù)據(jù)來預(yù)報哈爾濱的天氣一樣。

直到1995年，歐洲和美國聯(lián)合把“太陽和太陽風(fēng)層探測器”(SOHO)發(fā)射到了位于太陽和地球之間、距離地球150萬千米的“拉格朗日1點(diǎn)”(L1)。在L1點(diǎn)太陽和地球的引力相平衡，因此SOHO可以占據(jù)較為穩(wěn)定的軌道。就在2003年萬圣節(jié)太陽風(fēng)暴所在的10月里，SOHO成功地監(jiān)測到了一次CME，在它影響地球前幾個小時發(fā)出了預(yù)警，這使得很多衛(wèi)星及時關(guān)閉電源，否則的話損失還要大得多。

1997年“ 高新化學(xué)組成探測器”(ACE)也被發(fā)射到了L1，在那里它監(jiān)測來襲的CME。除了能探測CME的速度和密度之外，ACE還能探測CME的磁場。如果CME的磁場和地球的正好相反的話，它就會進(jìn)入地球的磁層引發(fā)磁暴。1999年ACE發(fā)出了第一個短期太陽風(fēng)暴預(yù)警。

通常美國的空間天氣預(yù)報中心(SWPC)可以在太陽風(fēng)暴抵達(dá)前20~60分鐘發(fā)出了警報，但是這些警報還遠(yuǎn)沒有達(dá)到讓人滿意的程度。據(jù)SWPC自己的分析，有1/3的大型太陽風(fēng)暴被漏報，而另有1/4則是假警報。能造成極端嚴(yán)重后果的太陽風(fēng)暴是非常罕見的，因此很難說從目前的預(yù)報中所積累經(jīng)驗(yàn)，到關(guān)鍵時刻是不是能發(fā)揮作用。

2012:一切皆未知

人們已經(jīng)可以進(jìn)行幾個小時的短期預(yù)報，但是還缺少長期預(yù)測的能力，因?yàn)閷μ柕恼J(rèn)識不足。絕大多數(shù)的預(yù)測認(rèn)為3年或者4年后的下一個太陽峰年會比較弱，但這只是使用統(tǒng)計得出的結(jié)果，很難說有多少可信度。例如，在20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽活動峰年之后在太陽極區(qū)會有磁場累積，它與下一個太陽活動周期的強(qiáng)度有相關(guān)性。正是根據(jù)這一方法的預(yù)言，下一個太陽活動周期將是一個世紀(jì)以來最弱的一個。還有其他的預(yù)測方法，例如根據(jù)太陽10.7厘米射電輻射流量以及太陽極區(qū)亮斑的數(shù)量，也會得出下一個太陽活動周期比較弱的結(jié)論。但是如果根據(jù)另外一些模型，例如太陽活動周期的強(qiáng)度和兩個太陽活動周期前黑子數(shù)之間存在相關(guān)性的預(yù)測，2012年又將出現(xiàn)強(qiáng)太陽活動。之所以得出相互矛盾的結(jié)論，還是因?yàn)檫@些預(yù)報主要倚賴于觀測太陽活動的“征兆”，缺乏對物理機(jī)制的考慮。

為了進(jìn)行有效的長期預(yù)報，空間物理學(xué)家開始追趕氣象學(xué)家，構(gòu)建自己的計算機(jī)模型。氣象學(xué)家們從上個世紀(jì)50年代就開始建立并完善他們的計算機(jī)模型，利用全世界的天氣觀測數(shù)據(jù)來計算天氣的演化。幾十年來，這些模型在短期預(yù)報上已經(jīng)超過了經(jīng)驗(yàn)豐富的天氣預(yù)報員，并且逐步開始在7天以上的預(yù)報中嶄露頭角。

但要得到空間天氣的預(yù)報還需要面對額外的障礙。首先，模型所需要的觀測數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失。更糟糕的是，用來監(jiān)測太陽活動的衛(wèi)星都已經(jīng)嚴(yán)重超期服役。ACE已經(jīng)工作了12年，同在L1的SOHO更是工作了14年，一旦它們停止工作，在這個方向上就完全成了“瞎子”。

幸好，如果中國的“夸父計劃”能如期在2012年上天，將有效地補(bǔ)充在L1上對太陽風(fēng)暴岌岌可危的監(jiān)測能力。這是中國和國際合作開展的太陽監(jiān)測衛(wèi)星計劃?！翱涓赣媱潯卑巳w衛(wèi)星。其中一顆衛(wèi)星將被放置在L1點(diǎn)，用于監(jiān)測太陽耀斑和CME，它能為地磁暴提供3天的預(yù)警。另外兩顆衛(wèi)星將被放置在地球磁層處，用于對北極光進(jìn)行24小時的監(jiān)測。如果按期實(shí)施，該計劃將是世界上唯一一個系統(tǒng)的日地空間探測計劃。

其次是物理建模的困難。和密度相對均勻的大氣層不同，空間天氣所需要處理的物理環(huán)境跨度巨大。從由磁場支配、幾近真空且溫度高達(dá)100萬℃的太陽日冕，到地球上層的低溫大氣，再到地面，這一切需要許多不同的子模型來銜接從太陽到地球的整個過程。為此美國的空間天氣科學(xué)家們建立起了一個松散的組織，來研發(fā)并且測試日地關(guān)系模型和30個子模型，不過到目前為止還沒有一個子模型通過測試進(jìn)入實(shí)用階段。在這些模型中領(lǐng)跑的是研究CME如何在太陽和ACE衛(wèi)星之間傳播的子模型，但是在太陽峰年到來的2、3年內(nèi)還無法投入正式的使用。這些模型和真刀真槍的預(yù)報比起來還相去甚遠(yuǎn)。即便如此，還是有一些科學(xué)家想試試他們的“運(yùn)氣”。

太陽傳送帶:下一波會更強(qiáng)

第一個基于完整太陽物理模型的預(yù)報，給出的是一個悲觀的結(jié)果。美國國家大氣研究中心(NCAR)的科學(xué)家迪克帕提(Mausumi Dikpati)和她的小組發(fā)展了一套數(shù)值模擬方法得出:下一個太陽峰年會更強(qiáng)，太陽的黑子和活動會比這個太陽活動周期結(jié)束時增加30%~50%。這一預(yù)言的核心是“太陽傳送帶”理論。

在過去的十多年里，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)在太陽上有一個巨大的等離子體傳送帶，它在太陽兩個半球以每小時30~65千米的速度從赤道向兩極輸送等離子體。太陽黑子的壽命通常只有幾周，但是它們的磁場卻不會消失。在沉入太陽內(nèi)部之前，等離子體流會帶動這些磁場，在極區(qū)積聚，之后會向赤道回流。深層回流是無法觀測的，但是模型顯示它流動的速度要比表面的慢，大概只有每小時5千米。如果這樣，整個回流就要花上幾十年的時間。這意味著太陽會保留對它磁場的“記憶”至少20年。因此太陽活動的強(qiáng)度，不僅僅倚賴于前一個周期，還和更早的活動周期歷史有關(guān)。

誰是誰非很快就能見分曉，畢竟距離下一個太陽活動峰年，所剩下的時間已經(jīng)不多。但如果在空間探測器、預(yù)報模型兩方面都沒有取得進(jìn)展的話，也許我們的處境就像是蒙住雙眼應(yīng)對龍卷風(fēng)的襲擊。