太空時(shí)代新天氣預(yù)報(bào)

方陵生

“拉格朗日”航天器將從側(cè)面監(jiān)測(cè)太陽，以更早發(fā)現(xiàn)向地球方向而來的日冕物質(zhì)拋射

太陽是恒星家族中一個(gè)脾氣暴躁的“中年大叔”，動(dòng)不動(dòng)就會(huì)釋放出大量的能量。自2019年12月以來，太陽進(jìn)入了周期性活動(dòng)的活躍階段，越來越強(qiáng)烈的能量脈沖向各個(gè)方向迸射，其中一些帶電粒子會(huì)朝著地球的方向飛來。如果沒有一個(gè)好的預(yù)測(cè)方法，那么直面太陽風(fēng)暴襲擊的地球是很脆弱的。

最近一次險(xiǎn)些擊中地球的太陽風(fēng)暴發(fā)生在2012年夏季。那場(chǎng)具有潛在巨大破壞力的太陽風(fēng)暴，穿越近1.5億千米的距離，以900多萬千米/時(shí)的速度朝地球方向襲來。如果它發(fā)生在一周前，那么很有可能就會(huì)擊中地球?？茖W(xué)家們是在它撞上了美國(guó)宇航局專門用來觀測(cè)太空天氣的一顆衛(wèi)星后才發(fā)現(xiàn)了它。

2012年夏季的那場(chǎng)太陽風(fēng)暴，是自1859年以來研究人員觀測(cè)到的最強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴。而發(fā)生在當(dāng)年9月的一場(chǎng)強(qiáng)大的太陽風(fēng)暴襲擊北半球時(shí)，地球就沒那么幸運(yùn)了，位于歐洲和北美境內(nèi)的許多電報(bào)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)了故障，這一事件被稱為“卡林頓事件”。此次太陽風(fēng)暴事件之所以以英國(guó)天文學(xué)家理查德·卡林頓的名字命名，是因?yàn)樗慷昧颂炜罩袕?qiáng)烈明亮的光點(diǎn)，并記錄下了他所看到的一切。

如今，地球上會(huì)受太陽風(fēng)暴影響的已不僅僅是電報(bào)系統(tǒng)，卡林頓級(jí)的太陽風(fēng)暴事件將摧毀衛(wèi)星，擾亂GPS定位系統(tǒng)、移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接。此外，銀行系統(tǒng)、航空系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)和交通信號(hào)系統(tǒng)也將受到?jīng)_擊，受損的電網(wǎng)需要數(shù)月或更長(zhǎng)時(shí)間才能修復(fù)。特別在時(shí)下新冠肺炎疫情防控期間，許多人依靠遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)工作和學(xué)習(xí)，這樣的事件所造成的廣泛的社會(huì)影響，也許是人們難以估量的。

對(duì)此，美國(guó)密歇根大學(xué)大氣和空間科學(xué)家亞倫·雷德利認(rèn)為：“我們了解太陽風(fēng)暴是如何形成的，但是不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它們?！眮唫悺だ椎吕Ｍ?，如科學(xué)家們知道如何繪制龍卷風(fēng)和颶風(fēng)可能經(jīng)過的路徑一樣，也能預(yù)測(cè)太陽風(fēng)暴可能經(jīng)過的路徑。

目前，比較理想的方案是在太陽風(fēng)暴登陸地球或?qū)е滦l(wèi)星系統(tǒng)癱瘓之前，甚至在太陽向地球方向發(fā)射帶電粒子之前，就能收到太陽風(fēng)暴襲來的警報(bào)。有了這種太空天氣預(yù)報(bào)預(yù)警，各國(guó)政府就可以有充足的時(shí)間提前關(guān)閉電網(wǎng)，或讓衛(wèi)星遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的區(qū)域。

2012年7月爆發(fā)的太陽活動(dòng)引發(fā)的巨大的日冕物質(zhì)拋射與地球擦肩而過

近期，亞倫·雷德利參與了其中一項(xiàng)相關(guān)的合作研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在模擬太陽風(fēng)暴，幫助科學(xué)家快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)太陽風(fēng)暴的走向、強(qiáng)度，以及可能影響地球上重要衛(wèi)星和電網(wǎng)的時(shí)間。

當(dāng)科學(xué)家談?wù)撎仗鞖鈺r(shí)，通常指的是兩件事：一是太陽風(fēng)，即持續(xù)不斷從太陽流出的高能帶電粒子流;二是日冕物質(zhì)大爆發(fā)，也就是從太陽外層大量拋射出的帶電粒子或等離子體。其中，日冕物質(zhì)拋射（簡(jiǎn)稱CMEs），是最具威脅性的太陽風(fēng)暴。太空中的其他一些現(xiàn)象，如被稱為“宇宙射線”的高能粒子，也是空間氣象的現(xiàn)象之一，但它們一般不會(huì)引起太多關(guān)注。

幾個(gè)世紀(jì)以來，天文學(xué)家一直在對(duì)每日東升西落的太陽進(jìn)行觀察。17世紀(jì)，伽利略是最早發(fā)現(xiàn)太陽黑子活動(dòng)的科學(xué)家之一。太陽黑子是太陽表面稍冷并具有強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域，太陽黑子增多通常是強(qiáng)烈太陽活動(dòng)的先兆。伽利略之后的天文學(xué)家注意到，太陽黑子活動(dòng)經(jīng)常產(chǎn)生被稱為“太陽耀斑”的輻射爆發(fā)，將大量日冕物質(zhì)發(fā)射到太空。

19世紀(jì)，德國(guó)天文學(xué)家塞繆爾·海因里?！な┩卟及l(fā)現(xiàn)，太陽活動(dòng)周期為11年。最近一次太陽活動(dòng)周期于2019年12月結(jié)束，目前，太陽活動(dòng)正從最低點(diǎn)走向第25周期的最大值（天文學(xué)家對(duì)太陽活動(dòng)周期進(jìn)行了編號(hào)）。太陽風(fēng)暴，特別是危險(xiǎn)的日冕物質(zhì)拋射，正變得越來越頻繁和強(qiáng)烈，預(yù)測(cè)在2024年至2026年將達(dá)到頂峰。

一般來說，太陽活動(dòng)周期最活躍的階段，也是日冕物質(zhì)拋射最強(qiáng)烈的階段，但也有很多不確定的變化。例如，1859年的日冕物質(zhì)拋射是在太陽活動(dòng)周期一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的階段。如果日冕物質(zhì)拋射直奔地球而來，那么最先抵達(dá)地球的是電磁輻射，只需8分鐘即可到達(dá)。日冕物質(zhì)拋射通常會(huì)產(chǎn)生一種沖擊波，將質(zhì)子加速到極致速度，使其在20分鐘內(nèi)到達(dá)地球。這種高能粒子對(duì)地球有很大危害，會(huì)給高軌道衛(wèi)星的電子設(shè)備或太陽能電池造成破壞，還可能傷害在地球磁場(chǎng)保護(hù)范圍之外的宇航員，例如在月球上執(zhí)行任務(wù)的宇航員。但處于國(guó)際空間站上的宇航員大概率是安全的，因?yàn)樗麄內(nèi)蕴幱诘厍虼艌?chǎng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

2013年，一團(tuán)明亮的帶電粒子云從太陽中噴射而出

日冕物質(zhì)拋射的最大威脅是等離子體云，其范圍巨大，可達(dá)幾百萬千米，通常需要一到三天的時(shí)間才能到達(dá)地球，取決于太陽將其推向地球的速度。地球磁場(chǎng)是抵御不利太空氣象和太空輻射的第一道防線，但也僅此而已。衛(wèi)星和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，日冕物質(zhì)拋射的帶電粒子會(huì)與地球磁場(chǎng)相互作用并扭曲磁場(chǎng)。這些相互作用可能產(chǎn)生兩個(gè)重要的影響：一是在地球高層大氣中產(chǎn)生更強(qiáng)烈的電流;二是將這些更強(qiáng)的電流從兩極轉(zhuǎn)移到人口更多、基礎(chǔ)設(shè)施更集中的地方。一場(chǎng)強(qiáng)大的太陽風(fēng)暴會(huì)將衛(wèi)星和地球上的電網(wǎng)置于極度危險(xiǎn)之中。

太陽風(fēng)暴沖擊將導(dǎo)致遠(yuǎn)程無線電信號(hào)或電信信號(hào)中斷，強(qiáng)大的太陽風(fēng)暴還會(huì)干擾航行中的飛機(jī)，導(dǎo)致飛行員與空中交通管制員失去聯(lián)系。這些影響都是暫時(shí)性的，通常持續(xù)一天，但對(duì)電網(wǎng)的影響可能會(huì)更嚴(yán)重。一次巨大的日冕物質(zhì)拋射可能會(huì)導(dǎo)致地球上通過電網(wǎng)線的電流從通常的幾安培增至數(shù)千安培，而無法承受突然增大的電流的變壓器可能會(huì)因此而熔化或爆炸。1989年3月13日的日冕物質(zhì)拋射，導(dǎo)致加拿大魁北克省全境停電達(dá)9個(gè)多小時(shí)，近700萬人的工作和生活受到影響。如果太空氣象部門能及時(shí)發(fā)出預(yù)警，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商就可以及時(shí)采取措施減少損失，如降低通過線路電流的功率，減少電網(wǎng)的互聯(lián)，并在需要的地方設(shè)置備用發(fā)電機(jī)等。

空間氣象學(xué)家根據(jù)太陽活動(dòng)對(duì)地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)程度，將太陽風(fēng)暴分為五級(jí)。與預(yù)測(cè)熱帶風(fēng)暴不同的是，現(xiàn)有的衛(wèi)星無法精確預(yù)測(cè)太陽風(fēng)暴的到來。各國(guó)氣象部門可以獲得不斷更新的地球風(fēng)暴數(shù)據(jù)，但是關(guān)于太陽風(fēng)暴可供利用的數(shù)據(jù)還是太少。

空間天氣預(yù)測(cè)的重大挑戰(zhàn)之一，是要在日冕物質(zhì)拋射抵達(dá)地球較久之前就能預(yù)測(cè)到太陽磁場(chǎng)的活動(dòng)，以便為即將到來的太陽風(fēng)暴做好充分準(zhǔn)備。目前，監(jiān)測(cè)太空氣象的兩顆衛(wèi)星分別是美國(guó)宇航局的ACE衛(wèi)星和2015年發(fā)射的美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的深空氣候觀測(cè)衛(wèi)星（DSCOVR）。在地球上方150萬千米的軌道上運(yùn)行的這兩顆衛(wèi)星，在太陽風(fēng)暴即將到來時(shí)才能探測(cè)到。這意味著只有15到45分鐘的預(yù)警時(shí)間，這更像是“即時(shí)報(bào)告”，只能提供一個(gè)倉(cāng)促應(yīng)對(duì)的預(yù)警。此外，這兩顆衛(wèi)星，包括1995年由美國(guó)宇航局和歐洲航天局發(fā)射的SOHO衛(wèi)星這樣的老舊衛(wèi)星，只能監(jiān)測(cè)不包括太陽兩極在內(nèi)的有限范圍，在觀測(cè)范圍上存在很大局限。

歐洲航天局將利用航天器在"拉格朗日點(diǎn)"L1和L5的位置上對(duì)太陽進(jìn)行監(jiān)測(cè)

ACE衛(wèi)星（1997年發(fā)射）

DSCOVR衛(wèi)星（2015年發(fā)射）

SOHO衛(wèi)星（1995年發(fā)射）

為了更好地估計(jì)日冕物質(zhì)拋射爆發(fā)的時(shí)間和強(qiáng)度，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的科學(xué)家們計(jì)劃于2025年初發(fā)射一顆配備了日冕儀的空間氣象衛(wèi)星。日冕儀是用于研究太陽大氣最外層日冕的一種儀器，可阻擋影響觀察視線的大部分太陽光線。

2027年，歐洲航天局將啟動(dòng)第一次太空氣象任務(wù)，將“拉格朗日”航天器發(fā)射到地球環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道上?！袄窭嗜铡焙教炱鲗⒈绕渌教炱髟鐜滋毂O(jiān)測(cè)到太陽活動(dòng)的耀斑區(qū)域，也能更快確定太陽風(fēng)暴的速度和方向，以便科學(xué)家做出更精確的預(yù)測(cè)。

美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德研究和教育中心空間氣象技術(shù)執(zhí)行主任、物理學(xué)家托馬斯·伯杰等研究人員對(duì)地球上層大氣進(jìn)行模擬和建模。新數(shù)據(jù)和新模型可能不會(huì)在即將到來的太陽活動(dòng)周期及時(shí)上線，但應(yīng)該能在21世紀(jì)30年代的第26次太陽活動(dòng)周期內(nèi)準(zhǔn)備就緒。到那時(shí)，科學(xué)家們也許能夠提前發(fā)出警報(bào)，以便預(yù)留出更多的時(shí)間做好應(yīng)對(duì)措施，避免最糟糕的情況發(fā)生。