【下一個太陽峰年︰我們準備好了嗎？】

江南布衣

【下一個太陽峰年︰我們準備好了嗎？】

 

作者: Shea

 

（本文已刊載于《新知客》2009年第8期，略有不同）

 

每年10月31日的萬聖節是一個充滿奇異現象和恐怖事件的節日。

 

但是無論按照哪個標準，發生在2003年萬聖節前後的事情都是非比尋常的。

 

美國加利福尼亞州中部地區的上空出現了罕見的極光。

 

全球範圍內的通訊受到干擾，海事緊急呼叫系統癱瘓，珠峰探險隊通訊中斷，全球定位系統的精度降低。

 

穿越高緯度地區的航班不得不啟用了備用通訊系統，許多航班改變航線、降低高度導致航線擁擠，光多消耗的燃油就使得全球民航業損失了數百萬美元。

 

瑞典有5萬人的電力供應中斷。

 

日本的一顆氣象衛星與地面失去了聯系，美國宇航局的半數衛星出現故障。

 

國際空間站上的機械臂被關閉，兩名宇航員緊急轉移至了防護效果最好的生活艙。

 

這些事件之間的聯系並不是超自然現象，而是我們再熟悉不過的太陽。

 

當我們的太陽處于以11年為周期的活躍期時，它就會造成這些混亂。

 

這一周期性的變化是由它的磁場所驅動的。

 

太陽上的磁場會“吹”出帶電粒子流，被稱為太陽風。

 

在太陽活動周期的平靜階段，太陽活動很少，太陽風也很均勻。

 

到了太陽活動峰年，黑子——太陽表面磁場紐結形成的暗斑——就會大批出現。

 

在黑子上方暴發的太陽耀斑會在太陽風中形成湍流進而向宇宙空間噴射大量的帶電粒子流。

 

在更上層的太陽日冕中，伴隨著其中磁場能量的瞬間劇烈釋放會有數十億噸的等離子體被拋射到宇宙空間，形成對地球危害最大的日冕物質拋射（CME）。

 

如果CME不幸擊中地球磁場，就會造成嚴重的結果。

 

 

[圖片說明]︰日地空間。太陽爆發將襲擊地球的磁層。

 

 

“完美風暴”

 

首當其沖的受害者是人造衛星。

 

由于會侵蝕太陽能電池板，因此太陽風暴在幾個小時內就能使得人造衛星的壽命縮短大約2年，同時它還會引發錯誤的指令以及放電等衛星故障。

 

此外太陽風暴能量的注入會使得地球大氣層膨脹，進而增加低軌衛星的大氣阻尼。

 

2000年7月14日日本的宇宙學和天體物理高新衛星就在太陽風暴中失去能源並且姿態失控，幾個月後便墜入了大氣層。

 

侵入的等離子體會造成地球磁場的快速變化，變化的磁場反過來又會在電網中誘導產生電流。

 

但是電網的設計使得它無法應付這些直流電，於是最大的危險就會出現在電網中造價高昂且難於更換的變壓器上。

 

不斷上升的直流電會產生強磁場，它會使得變壓器的磁核飽和，其結果就是變壓器的銅線升溫進而熔化。

 

這正是1989年3月13日在加拿大魁北克省所發生的，當時有6百萬人在沒有電力的情況下度過了9個小時。

 

[圖片說明]︰由于太陽風暴而熔毀的變壓器。

 

太陽風暴還會影響全球定位系統（GPS）的無線電信號。

 

它不僅會干擾傳播GPS信號的電離層，還會產生額外的噪音信號。

 

這會使得GPS的誤差變大到50米或者更高，無法用于軍事以及某些民用領域。

 

2003年10月底的太陽風暴就曾使得民航客機不得不轉用備用導航系統。

 

除了導航系統之外，太陽風暴中的高能粒子還會干擾飛機的無線電通訊。

 

特別是對于高緯度地區的航線，其影響甚至可以使得航班改變航線達數天之久。

 

也正是這些原因使得科學家們渴望能對這些“空間天氣”進行精確的預報。

 

而空間天氣預報員的下一個挑戰不久就將到來。

 

2012年或者2013年太陽活動會出現極大，那個時候太陽上會出現巨大的黑子、耀斑和CME，地磁暴也會變得最為劇烈。

 

為此我們做好準備了嗎？

 

短期預報落後幾十年

 

事實上，現在的空間天氣預報就像是上個世紀60年代的天氣預報。

 

可以進行有用的短期預報，但是缺少計算機模型來進行長期預測。

 

其中一個重要的原因是缺少觀測。

 

以前空間天氣預報員僅使用地面上的望遠鏡來觀測太陽黑子、耀斑以及其他的可能引發太陽風暴的活動。

 

但是他們在地球和太陽之間沒有能用來監測來襲太陽風暴的空間觀測站。

 

這就像是只利用廣州氣象站的觀測數據來預報哈爾濱的天氣一樣。

 

1995年太陽和太陽風層探測器（SOHO）被發射到了位于日地之間、距離地球150萬千米的拉格朗日1點（L1）。

 

在L1點太陽和地球的引力相平衡，因此SOHO可以佔據較為穩定的軌道。

 

2003年10月發生了一次CME，SOHO在其影響地球前幾個小時發出了預警，這使得很多衛星及時關閉電源減少了損失。

 

 

[圖片說明]︰SOHO拍攝的日冕物質拋射。

 

1997年高新化學組成探測器（ACE）也被發射到了L1，在那里它監測來襲的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，它就會進入地球的磁層引發磁暴。

 

1999年ACE發出了第一個短期太陽風暴預警。

 

通常美國的空間天氣預報中心（SWPC）可以在太陽風暴抵達前20-60分鐘發出了警報，但是這些警報還遠沒有達到讓人滿意的程度。

 

據SWPC自己的分析，有三分之一的大型太陽風暴被漏報，而另有四分之一則是假警報。

 

能造成極端嚴重後果的太陽風暴是非常罕見的，因此很難說從目前的預報中所積累經驗到關鍵時刻是不是能發揮作用。

 

 

尚不實用的長期預報

 

現在，太陽活動正處于極小期，絕大多數的預測認為3年或者4年後的下一個太陽峰年會比較弱。

 

由于對太陽的認識還不足以做有意義的長期預報，因此以前的預報主要倚賴于觀測未來太陽活動的“征兆”，而缺乏對其背後物理機制的考慮。

 

例如，在20世紀70年代，天文學家發現太陽活動峰年之後在太陽極區的磁場累積與下一個太陽活動周期的強度有相關性。

 

根據這一方法的預言，下一個太陽活動周期將是一個世紀以來最弱的一個。

 

其他的唯像方法，例如太陽10.7厘米射電輻射流量以及太陽極區亮斑的數量，也預報下一個太陽活動

 

周會比較弱。

 

但是如果根據太陽活動周期的強度和兩個太陽活動周期前黑子數之間的相關性來預言，2012年又將出現強太陽活動。

 

為了進行有效地長期預報，空間物理學家開始追趕氣象學家。

 

從上個世紀50年代開始，氣象學家就開始建立並且完善他們的計算機模型。

 

這些模型會包含大量的觀測數據，而這些數據則反映了全世界當前的天氣分布。

 

之後，這些模型就可以用來計算天氣的演化。

 

幾十年來，這些模型在短期預報上已經超過了經驗豐富的天氣預報員，並且逐步開始在7天以上的預報中嶄露頭角。

 

而空間天氣預報則還需要面對額外的障礙。

 

首先，模型所需要的觀測數據嚴重缺失。

 

更糟糕的是，用來監測太陽活動的衛星都已經嚴重超期服役。

 

ACE已經工作了12年，同在L1的SOHO更是工作了14年。

 

雖然有新的日地關系觀測台（STEREO）加入，但是由于STEREO並不固定在L1點附近，因此一旦ACE和SOHO停止工作，在這個方向上就完全成了“瞎子”。

 

如果我國的“夸父”計劃能如期在2012年上天，它將有效地補充在L1上對太陽風暴岌岌可危的監測能力。

 

[圖片說明]︰SOHO探測器。

 

“夸父”計劃包含了三顆衛星。

 

其中一顆衛星將被放置在L1點，用于監測太陽耀斑和CME，它能為將要發生的地磁暴提供3天的預警。

 

另外兩顆衛星將被放置在地球磁層處，用於對極光進行24小時地監測。

 

如果它能上天，那麼“夸父”將創下數個第一。

 

其次，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境跨度巨大。

 

從由磁場支配、幾近真空且溫度高達100萬度的太陽日冕，到地球上層的低溫大氣，再到地面，這一切使得空間天氣學家不得不發展出十幾個子模型來餃接從太陽到地球的整個過程。

 

但是這些模型和真刀真槍的預報比起來還相去甚遠。

 

為此美國的空間天氣科學家們專門建立起了一個鬆散的組織來研發並且測試這些預報模型，這其中包括了日地關系模型和30個子模型。

 

不過到目前為止還沒有一個模型——哪怕是子模型——通過了測試進入了實用階段。

 

在這些模型中領跑的是研究CME如何在太陽和ACE之間傳播的子模型，但是在太陽峰年到來的2、3年之內還無法投入正式的使用。

 

 

大膽預言

 

即便如此，還是有一些科學家想試試他們的“運氣”。

 

根據太陽內部磁場發電機和太陽表面附近等離子體運動理論，美國的科學家發展出了一套數值模擬方法。

 

由此他們得到了一個令人沮喪的結果︰

 

下一個太陽峰年的黑子和活動會比在這個太陽活動周期結束時增加30%-50%。

 

這一預言的核心是“太陽傳送帶”理論。

 

在過去的十多年裡，天文學家發現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。

 

在沉入太陽內部之前，等離子體流會帶動這些磁場，並且在極區積聚，之後它們會向赤道回流。

 

這一預言綜合了可以追溯到1900年的黑子觀測數據以及太陽磁場發電機和傳送帶的計算機模擬。

 

在這個模擬中，傳送帶會清理老黑子，使它們在極區沉沒。

 

在深層回流的過程中，太陽的自轉會給老磁場注入新的活力，產生新的黑子和太陽活動區。

 

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20年，因此太陽活動不僅僅倚賴于前一個太陽活動周期還和更早的太陽活動周期有關。

 

誰是誰非也許很快就能見分曉了，畢竟距離下一個太陽活動峰年所剩下的時間已經不多了。

 

如果沒有新的空間探測器的補充、沒有在預報模型上取得進展的話，那麼也許我們的處境就會像是蒙住雙眼來應對龍卷風的襲擊一樣。