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下一个太阳峰年:我们准备好了吗?  

2009-09-16 07:07:52|  分类: 特别报道 |  标签: |举报 |字号 订阅

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下一个太阳峰年:我们准备好了吗?

Shea

(本文已刊载于《新知客》2009年第8期,略有不同)

  每年10月31日的万圣节是一个充满奇异现象和恐怖事件的节日。但是无论按照哪个标准,发生在2003年万圣节前后的事情都是非比寻常的。美国加利福尼亚州中部地区的上空出现了罕见的极光。全球范围内的通讯受到干扰,海事紧急呼叫系统瘫痪,珠峰探险队通讯中断,全球定位系统的精度降低。穿越高纬度地区的航班不得不启用了备用通讯系统,许多航班改变航线、降低高度导致航线拥挤,光多消耗的燃油就使得全球民航业损失了数百万美元。瑞典有5万人的电力供应中断。日本的一颗气象卫星与地面失去了联系,美国宇航局的半数卫星出现故障。国际空间站上的机械臂被关闭,两名宇航员紧急转移至了防护效果最好的生活舱。

  这些事件之间的联系并不是超自然现象,而是我们再熟悉不过的太阳。当我们的太阳处于以11年为周期的活跃期时,它就会造成这些混乱。这一周期性的变化是由它的磁场所驱动的。太阳上的磁场会“吹”出带电粒子流,被称为太阳风。在太阳活动周期的平静阶段,太阳活动很少,太阳风也很均匀。到了太阳活动峰年,黑子——太阳表面磁场纽结形成的暗斑——就会大批出现。在黑子上方暴发的太阳耀斑会在太阳风中形成湍流进而向宇宙空间喷射大量的带电粒子流。在更上层的太阳日冕中,伴随着其中磁场能量的瞬间剧烈释放会有数十亿吨的等离子体被抛射到宇宙空间,形成对地球危害最大的日冕物质抛射(CME)。如果CME不幸击中地球磁场,就会造成严重的结果。

2009年9月16日 - BolideMag - 火流星
[图片说明]:日地空间。太阳爆发将袭击地球的磁层。

“完美风暴”

  首当其冲的受害者是人造卫星。由于会侵蚀太阳能电池板,因此太阳风暴在几个小时内就能使得人造卫星的寿命缩短大约2年,同时它还会引发错误的指令以及放电等卫星故障。此外太阳风暴能量的注入会使得地球大气层膨胀,进而增加低轨卫星的大气阻尼。2000年7月14日日本的宇宙学和天体物理高新卫星就在太阳风暴中失去能源并且姿态失控,几个月后便坠入了大气层。

  侵入的等离子体会造成地球磁场的快速变化,变化的磁场反过来又会在电网中诱导产生电流。但是电网的设计使得它无法应付这些直流电,于是最大的危险就会出现在电网中造价高昂且难于更换的变压器上。不断上升的直流电会产生强磁场,它会使得变压器的磁核饱和,其结果就是变压器的铜线升温进而熔化。这正是1989年3月13日在加拿大魁北克省所发生的,当时有6百万人在没有电力的情况下度过了9个小时。

2009年9月16日 - BolideMag - 火流星
[图片说明]:由于太阳风暴而熔毁的变压器。

  太阳风暴还会影响全球定位系统(GPS)的无线电信号。它不仅会干扰传播GPS信号的电离层,还会产生额外的噪音信号。这会使得GPS的误差变大到50米或者更高,无法用于军事以及某些民用领域。2003年10月底的太阳风暴就曾使得民航客机不得不转用备用导航系统。除了导航系统之外,太阳风暴中的高能粒子还会干扰飞机的无线电通讯。特别是对于高纬度地区的航线,其影响甚至可以使得航班改变航线达数天之久。

  也正是这些原因使得科学家们渴望能对这些“空间天气”进行精确的预报。而空间天气预报员的下一个挑战不久就将到来。2012年或者2013年太阳活动会出现极大,那个时候太阳上会出现巨大的黑子、耀斑和CME,地磁暴也会变得最为剧烈。为此我们做好准备了吗?

短期预报落后几十年

  事实上,现在的空间天气预报就像是上个世纪60年代的天气预报。可以进行有用的短期预报,但是缺少计算机模型来进行长期预测。

  其中一个重要的原因是缺少观测。以前空间天气预报员仅使用地面上的望远镜来观测太阳黑子、耀斑以及其他的可能引发太阳风暴的活动。但是他们在地球和太阳之间没有能用来监测来袭太阳风暴的空间观测站。这就像是只利用广州气象站的观测数据来预报哈尔滨的天气一样。

  1995年太阳和太阳风层探测器(SOHO)被发射到了位于日地之间、距离地球150万千米的拉格朗日1点(L1)。在L1点太阳和地球的引力相平衡,因此SOHO可以占据较为稳定的轨道。2003年10月发生了一次CME,SOHO在其影响地球前几个小时发出了预警,这使得很多卫星及时关闭电源减少了损失。

2009年9月16日 - BolideMag - 火流星
[图片说明]:SOHO拍摄的日冕物质抛射。

  1997年高新化学组成探测器(ACE)也被发射到了L1,在那里它监测来袭的CME。除了能探测CME的速度和密度之外,ACE还能探测CME的磁场。如果CME的磁场和地球的正好相反的话,它就会进入地球的磁层引发磁暴。1999年ACE发出了第一个短期太阳风暴预警。

  通常美国的空间天气预报中心(SWPC)可以在太阳风暴抵达前20-60分钟发出了警报,但是这些警报还远没有达到让人满意的程度。据SWPC自己的分析,有三分之一的大型太阳风暴被漏报,而另有四分之一则是假警报。能造成极端严重后果的太阳风暴是非常罕见的,因此很难说从目前的预报中所积累经验到关键时刻是不是能发挥作用。

尚不实用的长期预报

  现在,太阳活动正处于极小期,绝大多数的预测认为3年或者4年后的下一个太阳峰年会比较弱。由于对太阳的认识还不足以做有意义的长期预报,因此以前的预报主要倚赖于观测未来太阳活动的“征兆”,而缺乏对其背后物理机制的考虑。

  例如,在20世纪70年代,天文学家发现太阳活动峰年之后在太阳极区的磁场累积与下一个太阳活动周期的强度有相关性。根据这一方法的预言,下一个太阳活动周期将是一个世纪以来最弱的一个。其他的唯像方法,例如太阳10.7厘米射电辐射流量以及太阳极区亮斑的数量,也预报下一个太阳活动周会比较弱。但是如果根据太阳活动周期的强度和两个太阳活动周期前黑子数之间的相关性来预言,2012年又将出现强太阳活动。

  为了进行有效地长期预报,空间物理学家开始追赶气象学家。从上个世纪50年代开始,气象学家就开始建立并且完善他们的计算机模型。这些模型会包含大量的观测数据,而这些数据则反映了全世界当前的天气分布。之后,这些模型就可以用来计算天气的演化。几十年来,这些模型在短期预报上已经超过了经验丰富的天气预报员,并且逐步开始在7天以上的预报中崭露头角。

  而空间天气预报则还需要面对额外的障碍。首先,模型所需要的观测数据严重缺失。更糟糕的是,用来监测太阳活动的卫星都已经严重超期服役。ACE已经工作了12年,同在L1的SOHO更是工作了14年。虽然有新的日地关系观测台(STEREO)加入,但是由于STEREO并不固定在L1点附近,因此一旦ACE和SOHO停止工作,在这个方向上就完全成了“瞎子”。如果我国的“夸父”计划能如期在2012年上天,它将有效地补充在L1上对太阳风暴岌岌可危的监测能力。

2009年9月16日 - BolideMag - 火流星
[图片说明]:SOHO探测器。

  “夸父”计划包含了三颗卫星。其中一颗卫星将被放置在L1点,用于监测太阳耀斑和CME,它能为将要发生的地磁暴提供3天的预警。另外两颗卫星将被放置在地球磁层处,用于对极光进行24小时地监测。如果它能上天,那么“夸父”将创下数个第一。

  其次,和密度相对均匀的大气层不同,空间天气所需要处理的物理环境跨度巨大。从由磁场支配、几近真空且温度高达100万度的太阳日冕,到地球上层的低温大气,再到地面,这一切使得空间天气学家不得不发展出十几个子模型来衔接从太阳到地球的整个过程。但是这些模型和真刀真枪的预报比起来还相去甚远。

  为此美国的空间天气科学家们专门建立起了一个松散的组织来研发并且测试这些预报模型,这其中包括了日地关系模型和30个子模型。不过到目前为止还没有一个模型——哪怕是子模型——通过了测试进入了实用阶段。在这些模型中领跑的是研究CME如何在太阳和ACE之间传播的子模型,但是在太阳峰年到来的2、3年之内还无法投入正式的使用。

大胆预言

  即便如此,还是有一些科学家想试试他们的“运气”。根据太阳内部磁场发电机和太阳表面附近等离子体运动理论,美国的科学家发展出了一套数值模拟方法。由此他们得到了一个令人沮丧的结果:下一个太阳峰年的黑子和活动会比在这个太阳活动周期结束时增加30%-50%。这一预言的核心是“太阳传送带”理论。

  在过去的十多年里,天文学家发现在太阳上有一个巨大的等离子体传送带,它在太阳两个半球以每小时30-65千米的速度从赤道向两极输送等离子体。太阳黑子的寿命通常只有几周,但是它们的磁场却不会消失。在沉入太阳内部之前,等离子体流会带动这些磁场,并且在极区积聚,之后它们会向赤道回流。

  这一预言综合了可以追溯到1900年的黑子观测数据以及太阳磁场发电机和传送带的计算机模拟。在这个模拟中,传送带会清理老黑子,使它们在极区沉没。在深层回流的过程中,太阳的自转会给老磁场注入新的活力,产生新的黑子和太阳活动区。

  深层回流是无法观测的,但是模型显示它流动的速度要比表面的慢,大概只有每小时5千米。如果这样,整个回流就要花上几十年的时间。这意味着太阳会保留对它磁场的记忆20年,因此太阳活动不仅仅倚赖于前一个太阳活动周期还和更早的太阳活动周期有关。

  谁是谁非也许很快就能见分晓了,毕竟距离下一个太阳活动峰年所剩下的时间已经不多了。如果没有新的空间探测器的补充、没有在预报模型上取得进展的话,那么也许我们的处境就会像是蒙住双眼来应对龙卷风的袭击一样。

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