太陽(yáng)兩極即將反轉(zhuǎn)，這很奇妙，也有些可怕

王曉濤/編譯

太陽(yáng)活動(dòng)越來(lái)越猛烈了。這對(duì)極光愛好者來(lái)說(shuō)再好不過(guò)，但對(duì)通信衛(wèi)星來(lái)說(shuō)恐怕就是壞消息了。

太陽(yáng)就要反轉(zhuǎn)了。

每隔大約11年，太陽(yáng)就會(huì)發(fā)生史詩(shī)般的變化：它的磁極會(huì)反轉(zhuǎn)。和地球一樣，太陽(yáng)也有磁南極和磁北極。然而，地球的磁極每幾十萬(wàn)年才反轉(zhuǎn)一次，但對(duì)太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，這簡(jiǎn)直是家常便飯。太陽(yáng)磁極上一次反轉(zhuǎn)是在2013年。因此，太陽(yáng)的下一次反轉(zhuǎn)近在眼前，很可能就是在2024年的某個(gè)時(shí)刻開始。

雖然太陽(yáng)磁極反轉(zhuǎn)聽上去像是世界末日即將來(lái)臨的征兆一樣，但實(shí)際并不是這樣。當(dāng)太陽(yáng)磁極反轉(zhuǎn)時(shí)，你甚至不一定會(huì)注意到。太陽(yáng)磁場(chǎng)活動(dòng)周期對(duì)地球氣候的影響微乎其微。真正的麻煩之處在于太陽(yáng)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)之前發(fā)生的事。

在太陽(yáng)磁極真正反轉(zhuǎn)之前，太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)活動(dòng)會(huì)日益增強(qiáng)。這其實(shí)就是當(dāng)前太陽(yáng)的狀態(tài)?！皩?shí)際上，我們現(xiàn)在看到的太陽(yáng)很可能是過(guò)去20年里活動(dòng)最猛烈的?！泵商乩麪柎髮W(xué)太陽(yáng)物理學(xué)家保羅 · 夏博諾（Paul Charbonneau）說(shuō)。

太陽(yáng)在活動(dòng)高峰期內(nèi)展示的是整個(gè)太陽(yáng)系中最為奢華的煙火表演。 “在這個(gè)時(shí)期，太陽(yáng)爆發(fā)出更多磁能，我們也就可能看到更多太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象，總之就是更多有意思的現(xiàn)象。”夏博諾說(shuō)。

其中，尤其值得關(guān)注的是日冕物質(zhì)拋射。這種爆發(fā)性事件就像是用霰彈槍在整個(gè)太陽(yáng)系內(nèi)發(fā)射物質(zhì)——也就是“太陽(yáng)風(fēng)暴”。太陽(yáng)風(fēng)暴抵達(dá)地球后完全有能力干擾甚至破壞地外空間中的通信衛(wèi)星。要知道，因?yàn)榘Ｂ?· 馬斯克“星鏈”計(jì)劃這樣的活動(dòng)越發(fā)頻繁地發(fā)射互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星，現(xiàn)在地外空間中的衛(wèi)星數(shù)量是越來(lái)越多了。在比較極端的情況下，太陽(yáng)風(fēng)暴甚至能讓地面上的部分電網(wǎng)無(wú)法工作。

不過(guò)，在科學(xué)家眼中，太陽(yáng)活動(dòng)的劇烈期并不代表危險(xiǎn)，反而提供了大量機(jī)遇。太陽(yáng)活動(dòng)劇烈期為研究人員提供了一個(gè)更細(xì)致研究太陽(yáng)的機(jī)會(huì)，從而更好地朝兩大目標(biāo)邁進(jìn)。其一，科學(xué)家希望能更好地預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴何時(shí)會(huì)嚴(yán)重破壞地球和宇宙飛船。氣象學(xué)家在預(yù)測(cè)地球天氣方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，天體物理學(xué)家也想像他們那樣準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)空間天氣。要是真能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，那么太空旅行必然會(huì)變得更加安全，這在人們對(duì)載人登月、登火計(jì)劃熱情日益高漲的背景下顯得格外重要。其二，他們希望能更好地了解太陽(yáng)神秘的內(nèi)部情況。那里的表演令人生畏，更好地了解其中的詳細(xì)情況有助于我們研究宇宙中的其他恒星，并最終為那個(gè)終極謎團(tuán)提供線索：我們?nèi)祟悶槭裁磿?huì)出現(xiàn)在這里？

太陽(yáng)是一塊碩大的核動(dòng)力磁鐵

在太陽(yáng)核心，氫原子聚變成氦原子，同時(shí)釋放出海量能量。

在核心區(qū)之外呢？因?yàn)闊o(wú)法直接研究恒星內(nèi)部，科學(xué)家就不太清楚那里究竟發(fā)生了什么。畢竟，太陽(yáng)距我們有1.5億千米之遙，它表面劇烈而明亮的活動(dòng)更是掩蓋了內(nèi)部的野獸。

在太陽(yáng)核心區(qū)之外一個(gè)叫作“對(duì)流區(qū)”的區(qū)域，太陽(yáng)核心部分聚變反應(yīng)過(guò)程中釋放的海量熱量讓氣體變得過(guò)熱從而變成等離子體（也就是說(shuō)氣體溫度高到帶上了電荷）。在地球海洋中，水以大規(guī)模對(duì)流的方式運(yùn)動(dòng)，也就是溫度較高的水上升，溫度較低的水下沉。地球大氣有時(shí)產(chǎn)生的巨大噴流原理也是如此。天體物理學(xué)家認(rèn)為，等離子體在太陽(yáng)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)方式與之類似。

在地球上，空氣與水的運(yùn)動(dòng)將赤道區(qū)域的熱量送往兩極地區(qū)，從而影響天氣和氣候。太陽(yáng)上發(fā)生的事更加驚人，不僅轉(zhuǎn)運(yùn)熱量，而且還轉(zhuǎn)移電磁效應(yīng)。

約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)家諾爾 · 拉瓦菲（Nour Rawafi）說(shuō)：“我們認(rèn)為，這些等離子體的流動(dòng)就是強(qiáng)電流的成因。另外，只要有了電流，磁場(chǎng)就來(lái)了?！保阍谥袑W(xué)時(shí)就很可能看過(guò)這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：把導(dǎo)線繞在釘子上，再與電池相連，釘子就變成了磁鐵。）

太陽(yáng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的這個(gè)過(guò)程叫作 “太陽(yáng)發(fā)電機(jī)”。這個(gè)機(jī)制的具體運(yùn)作細(xì)節(jié)還有很大一部分是太陽(yáng)物理學(xué)家不知道的，畢竟我們無(wú)法直接觀測(cè)太陽(yáng)內(nèi)部。

不過(guò)，即便是在太陽(yáng)表面，我們也能見識(shí)到太陽(yáng)發(fā)電機(jī)的威力。太陽(yáng)物理學(xué)家、美國(guó)國(guó)家大氣研究中心副主任斯科特 · 邁克因托什（Scott McIntosh）說(shuō)，要是太陽(yáng)內(nèi)部等離子體和磁場(chǎng)的流動(dòng)不穩(wěn)定，它們就會(huì)躍入太陽(yáng)表面，這類磁場(chǎng)非常強(qiáng)烈，因而呈現(xiàn)為暗色斑塊，也就是研究人員口中的“太陽(yáng)黑子”，因?yàn)樗鼈兛雌饋?lái)就像是太陽(yáng)表面的斑點(diǎn)。

太陽(yáng)黑子這類高磁場(chǎng)區(qū)域就像是給太陽(yáng)的光和熱加了蓋子。邁克因托什說(shuō)，在望遠(yuǎn)鏡中，“相對(duì)所在的環(huán)境，它們看上去又暗又冷”。（準(zhǔn)確地說(shuō)，太陽(yáng)黑子的溫度仍舊相當(dāng)高——大約在3600℃左右——同時(shí)也非常明亮。只不過(guò)，相對(duì)太陽(yáng)表面5500℃的平均溫度，太陽(yáng)黑子顯然是“冷”得多。）

在地球上，沒有任何現(xiàn)象與太陽(yáng)黑子類似。如果有，那就會(huì)是一部分急流沖出大氣層進(jìn)入太空，遮蔽了下方大陸。于是，宇航員就看不到這些假想中的“地球黑子”之下的地表了。

最近幾個(gè)世紀(jì)中，天文學(xué)家一直在用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)這些太陽(yáng)黑子，并且注意到了它們的活動(dòng)模式。每過(guò)11年，太陽(yáng)表面的太陽(yáng)黑子數(shù)量就會(huì)達(dá)到峰值。在20世紀(jì)50年代和60年代，研究人員意識(shí)到太陽(yáng)黑子數(shù)量的顯著上升意味著太陽(yáng)磁極即將反轉(zhuǎn)。（2024年4月全美國(guó)可見的日全食會(huì)因?yàn)榕R近太陽(yáng)活動(dòng)周期的峰年而獲益。屆時(shí)，如果你能全程觀看這次日全食，就有可能看到太陽(yáng)大氣中發(fā)散出來(lái)的環(huán)狀磁場(chǎng)區(qū)域。）

然而，在太陽(yáng)磁極反轉(zhuǎn)之前，就會(huì)有怪物從這些太陽(yáng)黑子中誕生，那就是可怕的太陽(yáng)耀斑。太陽(yáng)耀斑極為明亮，本質(zhì)上是電磁輻射（包括可見光、X射線和紫外輻射）的爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射。

日冕物質(zhì)拋射也是爆發(fā)性事件，將太陽(yáng)的等離子體和帶電粒子拋入太空。之后，這些等離子體和帶電粒子會(huì)以每秒幾十萬(wàn)千米的速度在整個(gè)太陽(yáng)系中穿行?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校宇航工程學(xué)教授德洛里斯 · 尼普（Delores Knipp）說(shuō)，一般而言，日冕物質(zhì)被拋射出來(lái)后，只需3天就能抵達(dá)地球。

一旦抵達(dá)地球，這些等離子體和帶電粒子的影響范圍就變得大多了。大多數(shù)時(shí)候，地球自身的磁場(chǎng)就能讓這些太陽(yáng)風(fēng)暴偏轉(zhuǎn)。地球磁場(chǎng)就像是一把宇宙級(jí)別的傘，將這些如雨點(diǎn)般落下的太陽(yáng)粒子反彈出去。尼普說(shuō)：“在其他一些較少出現(xiàn)的情況中，太陽(yáng)風(fēng)暴真的可以打開地球磁場(chǎng)，讓多得多的能量和物質(zhì)涌入地球。等到這類事件發(fā)生時(shí)，我們就很可能看到它們產(chǎn)生各種各樣的影響?！?/p>

在比較溫和的情況下，太陽(yáng)風(fēng)暴可能會(huì)讓地球低緯度地區(qū)發(fā)出更加美麗動(dòng)人的極光。極光是來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子與我們地球大氣層中的氣體相撞后發(fā)生的現(xiàn)象。在地球兩極地區(qū)，磁場(chǎng)強(qiáng)度最低，散射太陽(yáng)風(fēng)暴的能力最差，這就是為什么極光一般在兩極地區(qū)或附近出現(xiàn)。不過(guò)，極光偶爾也會(huì)發(fā)生在更靠近赤道的區(qū)域，甚至發(fā)生在美國(guó)本土48州的上空。

要是太陽(yáng)風(fēng)暴猛烈的話，就可能造成大量災(zāi)難性事件。在太空中，太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)干擾通信衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)。在地面上，太陽(yáng)風(fēng)暴可能讓部分電網(wǎng)失效。正如電的流動(dòng)可以誘發(fā)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)也可以誘導(dǎo)出電流。尼普說(shuō)：“我們的電網(wǎng)對(duì)磁場(chǎng)環(huán)境的變化很是敏感?！?/p>

地球直接暴露在強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)暴之下的可能性非常低，但不是完全沒有。根據(jù)美國(guó)宇航局的資料，1859年，一場(chǎng)名為“卡靈頓事件”的太陽(yáng)風(fēng)暴在太陽(yáng)活動(dòng)周期臨近峰值時(shí)發(fā)生，對(duì)彼時(shí)剛誕生不久的電報(bào)系統(tǒng)造成了毀滅性破壞，引發(fā)了火災(zāi)，阻礙了信息傳遞。而極光甚至在南至墨西哥城的地區(qū)都能見到。倫敦勞埃德銀行的風(fēng)險(xiǎn)分析師估計(jì)，要是今天發(fā)生一場(chǎng)類似的事件，經(jīng)濟(jì)損失在萬(wàn)億量級(jí)。

太陽(yáng)活動(dòng)的上一個(gè)峰年是在2012年，在那期間，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了數(shù)次穿越地球軌道的日冕物質(zhì)拋射事件：幸運(yùn)的是，我們的地球并不是這些事件的直接目標(biāo)?！安贿^(guò)，要是這些爆發(fā)性事件擊中地球磁場(chǎng)，”布拉德 · 普拉默（Brad Plumer）在2014年寫道：“它們可能會(huì)誘發(fā)強(qiáng)大的地面電流，導(dǎo)致我們的電網(wǎng)過(guò)載、變壓器失效，進(jìn)而使整個(gè)地區(qū)斷電。”

2024年是太陽(yáng)科學(xué)的機(jī)會(huì)年

以上這些都是對(duì)太陽(yáng)這顆恒星運(yùn)作方式的簡(jiǎn)要描述，但還是缺少了很多細(xì)節(jié)?？茖W(xué)家還沒有建立關(guān)于太陽(yáng)發(fā)電機(jī)（太陽(yáng)內(nèi)部等離子體和帶電粒子的運(yùn)動(dòng)積聚磁能的過(guò)程）工作原理的完美模型。這意味著，我們?nèi)耘f不那么明白為什么有些太陽(yáng)活動(dòng)周期要比其他更加猛烈，也無(wú)法對(duì)此做預(yù)測(cè)。實(shí)際上，目前看來(lái)，當(dāng)前的這個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期強(qiáng)度相當(dāng)高，但按照科學(xué)家之前的預(yù)測(cè)，它應(yīng)該比實(shí)際情況溫和得多。

另外，科學(xué)家目前也無(wú)法預(yù)測(cè)日冕物質(zhì)具體何時(shí)噴發(fā)。此外，他們也仍舊在努力建立預(yù)報(bào)模型，以預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴何時(shí)以何種方式抵達(dá)地球。

邁克因托什說(shuō)：“弄清楚太陽(yáng)在做什么，已經(jīng)不再只是學(xué)術(shù)問(wèn)題，因?yàn)樗c蓬勃發(fā)展的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)?！痹谧罱@些年里，環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量以千為單位爆發(fā)式增長(zhǎng)。光是埃隆 · 馬斯克的星鏈系統(tǒng)——設(shè)計(jì)目標(biāo)是從空間提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)——就涉及4000多顆衛(wèi)星。所有這些衛(wèi)星——再加上通信衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星——都會(huì)受到空間天氣的影響，甚至有可能在太陽(yáng)風(fēng)暴中徹底毀壞。

另外，人類越是深入探索宇宙，就越是暴露在危險(xiǎn)的太陽(yáng)風(fēng)暴之下。例如，人類探索宇宙的主要目標(biāo)之一火星就沒有地球這樣的磁場(chǎng)保護(hù)罩?！耙虼耍覀?cè)绞悄芗?xì)致、全面地觀測(cè)太陽(yáng)，就越是能預(yù)測(cè)宇航員在火星上的情況，進(jìn)而能更好地保護(hù)他們?！边~克因托什說(shuō)。

好在，在這個(gè)太陽(yáng)周期中，科學(xué)家已經(jīng)掌握了一些做關(guān)鍵觀測(cè)的設(shè)備。

首先是2020年發(fā)射升空的歐洲空間局太陽(yáng)軌道器。顧名思義，這個(gè)探測(cè)器就是圍繞著太陽(yáng)運(yùn)行的。它的主要任務(wù)是直接觀測(cè)太陽(yáng)兩極地區(qū)，這也是全人類的第一次。拉瓦菲說(shuō)：“重要的是，太陽(yáng)兩極地區(qū)藏著我們認(rèn)識(shí)太陽(yáng)活動(dòng)周期的關(guān)鍵秘密。因?yàn)闃O性反轉(zhuǎn)就是在那兒發(fā)生的。太陽(yáng)兩極地區(qū)發(fā)生的事為后續(xù)的太陽(yáng)活動(dòng)周期埋下了種子。因此，全面了解太陽(yáng)兩極有助于我們預(yù)測(cè)未來(lái)的太陽(yáng)活動(dòng)周期?！?/p>

其次是2018年發(fā)射升空的美國(guó)宇航局帕克太陽(yáng)探測(cè)器，它的目標(biāo)地點(diǎn)是人類探測(cè)器有史以來(lái)距太陽(yáng)最近的，距太陽(yáng)表面不到640萬(wàn)千米。帕克探測(cè)器可以穿過(guò)太陽(yáng)拋射出的日冕物質(zhì)，并且在過(guò)程中細(xì)致測(cè)量這類事件是如何把粒子加速到能夠穿越太陽(yáng)系的程度的。

再次是2019年投入工作的地面設(shè)備，位于夏威夷的井上太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。這架望遠(yuǎn)鏡拍攝到了人類拍過(guò)的最高分辨率的太陽(yáng)表面圖像。

這些新觀測(cè)設(shè)備加入了原來(lái)就有的軌道、地面觀測(cè)隊(duì)伍。太陽(yáng)物理學(xué)家的夢(mèng)想是借助這些功能強(qiáng)大的設(shè)備見證太陽(yáng)噴發(fā)事件，并通過(guò)各大天文臺(tái)追蹤噴發(fā)物質(zhì)在太空中奔向地球的整條運(yùn)行路徑。借助這些功能強(qiáng)大的儀器，科學(xué)家就能做出更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，就像地球上的氣象學(xué)家如今大幅提升了預(yù)報(bào)颶風(fēng)等災(zāi)害的能力一樣。

此外，在太陽(yáng)周期的活躍階段研究這類爆發(fā)現(xiàn)象也有助于科學(xué)家研究太陽(yáng)發(fā)電機(jī)這頭野獸本身。

邁克因托什談到研究日冕物質(zhì)拋射或太陽(yáng)耀斑時(shí)說(shuō)：“這就像是一座冰山，基本上，你只能瞥見整個(gè)機(jī)器的一小部分。因此，你必須根據(jù)這些太陽(yáng)風(fēng)暴做出推斷，進(jìn)而理解這個(gè)大機(jī)器在宇宙環(huán)境下究竟做了什么?！?/p>

研究清楚這臺(tái)大機(jī)器非常重要。

邁克因托什說(shuō)：“很多人都開過(guò)這樣的玩笑。在太陽(yáng)物理學(xué)領(lǐng)域，唯一一個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)就是終于研究清楚它的發(fā)電機(jī)制。”之所以這么說(shuō)，一部分原因是：太陽(yáng)是一顆相當(dāng)普通的恒星，光是在我們的銀河系就有數(shù)十億顆與之類似的恒星。所以，如果科學(xué)家能夠研究清楚它的運(yùn)作機(jī)制，相關(guān)知識(shí)就立刻呈指數(shù)式上升：他們突然就更深入一些地明白了全宇宙數(shù)不清的恒星是怎么運(yùn)作的。邁克因托什說(shuō)：“太陽(yáng)的運(yùn)作機(jī)制極不可能是獨(dú)一無(wú)二的，但它就在我們家門口。”

知道太陽(yáng)運(yùn)作機(jī)制之后，甚至還能知曉一些更重大問(wèn)題的答案。畢竟，生命之所以能出現(xiàn)在地球上，仰仗的完全是太陽(yáng)提供的能量。要是太陽(yáng)的活動(dòng)強(qiáng)度高一些，或者地球的磁場(chǎng)保護(hù)罩弱一些，生命可能就不會(huì)出現(xiàn)了。因此，理解我們恒星的運(yùn)作方式就是解開生命起源之謎的關(guān)鍵拼圖——不僅是地球生命，而且還有其他恒星周圍可能存在的所有生命。

拉瓦菲說(shuō)：“我們正努力研究人類是不是宇宙中的特例，研究宇宙是否到處都是生命。”要想徹底回答這個(gè)問(wèn)題，就一定要看看其他恒星的情況。然而，與此同時(shí)，只是研究我們自己的恒星就對(duì)研究全宇宙的恒星大有幫助，這就是天文學(xué)的奇妙之處。

資料來(lái)源 Vox

本文作者布萊恩 · 雷斯尼克（Brian Resnick）是一名科學(xué)作家、編輯