邵樂韻 吳曉琳

美國宇航局(NASA)警告,2013年地球可能遭遇強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴,到時(shí)候全球?qū)⑾萑氪笸ｋ?網(wǎng)絡(luò)電子通訊將全部癱瘓。

地表溫度越來越高。城市里四處冒煙、起火,紐約上空閃耀的極光仿佛末日的信號?；艁y的人們四處逃散,電視畫面時(shí)斷時(shí)有,在“全球危機(jī)”的新聞標(biāo)題下,主持人再三呼吁人們躲到地下庇難……

霎時(shí)間,太陽風(fēng)暴掀起的巨大熱浪橫掃一切生命和建筑,地球陷入一片火?！萌R塢電影《先知》用這樣的視覺沖擊“終結(jié)”了地球人的命運(yùn)。

這幾年,末日災(zāi)難片連連引發(fā)恐慌。人類有因氣候變暖而“被凍死”的,如《后天》;有因地球磁場顛倒而“被淹死”的,如《2012》;也有超強(qiáng)太陽風(fēng)暴來襲而“被燒死”的,如《先知》。

當(dāng)“2012”成為口頭禪,2013似乎成為一個(gè)新的時(shí)間“劫點(diǎn)”——美國宇航局(NASA)警告,2013年地球可能遭遇強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴,到時(shí)候全球?qū)⑾萑氪笸ｋ?網(wǎng)絡(luò)電子通訊將全部癱瘓。如果惡夢成真,人類生活將發(fā)生歷史性的大倒退——當(dāng)然,像《先知》這樣的末日說,按照中科院地質(zhì)和地球物理所研究員萬衛(wèi)星的說法,情節(jié)“過于荒誕”。

太陽風(fēng)暴到底多可怕?人類有沒有辦法進(jìn)行預(yù)測和防范?我國的觀日研究處于什么水平?記者就此電話采訪了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(“973”項(xiàng)目)“日地空間災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)報(bào)研究”首席科學(xué)家、國家天文臺研究員汪景琇。

太陽“打噴嚏”

太陽黑子是發(fā)生在太陽光球?qū)拥囊环N最基本、最明顯的太陽活動。我國西漢的《淮南子》中曾記載“日中有踆烏”,觀天象者所看到的“三足烏鴉”,其實(shí)就是太陽黑子。又有《漢書?五行志》記載:“河平元年,三月己未,日出黃,有黑氣,大如錢,居日中?！北徽J(rèn)為是世界上最早的有關(guān)太陽黑子的記錄。太陽磁力線隨著太陽的自轉(zhuǎn)而糾纏“打結(jié)”,在11年左右的太陽活動周期里,這些磁力線形成為黑子,它們通常比地球大好幾倍,能持續(xù)數(shù)月之久,在太陽黑子周期最高點(diǎn)蓄勢待發(fā)。

太陽耀斑是太陽色球?qū)拥墓饬羾姲l(fā),又叫色球爆發(fā)。它是太陽活動中最為劇烈的現(xiàn)象之一,位置在譜斑或光斑附近,且常在黑子群周圍。通常,太陽耀斑、日珥爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射等劇烈太陽活動被俗稱為“太陽風(fēng)暴”,科學(xué)家形象地稱之為太陽“打噴嚏”。

今年6月,在NASA任職20年的太陽物理學(xué)部門主管理查德?費(fèi)希爾(RichardFisher)接受英國媒體采訪時(shí)說,太陽的磁能每22年會達(dá)到高峰,而太陽黑子的數(shù)量或耀斑每11年會達(dá)到最高值,這兩種情況會在2013年同時(shí)發(fā)生。費(fèi)希爾形容,一旦出現(xiàn)超級太陽風(fēng)暴,“對美國而言,可能造成比卡特里娜颶風(fēng)嚴(yán)重20倍的經(jīng)濟(jì)損失?！?/p>

太陽風(fēng)暴發(fā)生時(shí)會向周圍空間輸出三種影響:電磁輻射直接影響地球向日面的大氣層和電離層,對短波通訊造成干擾;耀斑爆發(fā)噴射出的大量高能粒子,會嚴(yán)重危及宇宙飛行器內(nèi)的宇航員和儀器的安全;日冕物質(zhì)拋射,則會引起地球強(qiáng)烈的磁場變化,即磁暴,屆時(shí)地表電網(wǎng)可能過熱,航空運(yùn)輸可能中斷,而電子設(shè)施、導(dǎo)航裝置和主要的衛(wèi)星可能失去功能。

歷史記錄中,1859年史稱“卡林頓事件”的太陽風(fēng)暴就是“超級”規(guī)模的——太陽表面出現(xiàn)肉眼可見的白光耀斑,并且伴有劇烈的日冕物質(zhì)拋射。強(qiáng)烈的地磁效應(yīng)使得剛剛形成的電報(bào)網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓,甚至出現(xiàn)了電報(bào)員觸電、電報(bào)紙自燃的情況。

當(dāng)時(shí)世界主要依靠蒸汽機(jī)和肌肉勞力運(yùn)轉(zhuǎn),人們對高技術(shù)的依賴遠(yuǎn)不如今天,供電網(wǎng)絡(luò)沒有現(xiàn)在這么密集、規(guī)模沒有這么大,天上也沒有衛(wèi)星。20世紀(jì)至今最強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴出現(xiàn)在1989年3月,曾使加拿大魁北克省停電9個(gè)小時(shí),即便如此,它的強(qiáng)度也只是1859年的1/4左右。

社會發(fā)達(dá)程度越高,太陽風(fēng)暴造成的影響也就越大?！翱诸D事件”如果發(fā)生在當(dāng)下,后果不堪設(shè)想?？茖W(xué)家的警告,并非危言聳聽。

從上世紀(jì)90年代中開始,美國就制定了國家空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃。NASA在2006——2016戰(zhàn)略計(jì)劃中特別指出,“空間天氣對人類的危害越來越明顯,因此認(rèn)識并降低空間天氣對人類的危害效應(yīng)迫在眉睫”。

2009年,美國科學(xué)家就太陽風(fēng)暴的經(jīng)濟(jì)和社會影響,向國家科學(xué)院遞交了一份報(bào)告,以提高人們對太陽風(fēng)暴危害的認(rèn)識,并倡議政府和私人企業(yè)為應(yīng)對強(qiáng)烈太陽風(fēng)暴做好準(zhǔn)備。

“美國科學(xué)家在這方面比較敏銳,他們在評估如果出現(xiàn)1859年這樣的太陽風(fēng)暴會有什么樣的后果。這不是寫科幻故事,而是相對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)報(bào)告。”汪景琇介紹說,在我國,目前中國科學(xué)院國家天文臺有一支研究太陽預(yù)報(bào)的團(tuán)隊(duì),中國科學(xué)院空間科學(xué)和應(yīng)用中心有空間天氣的研究和預(yù)報(bào)中心,中國氣象局有國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心,國防部門也有相應(yīng)的研究工作在進(jìn)行。

現(xiàn)在通過天文觀測手段已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)提前3——7天預(yù)警,但是預(yù)測中長期太陽風(fēng)暴以及太陽風(fēng)暴的強(qiáng)度等,還是個(gè)世界性的難題。“正因?yàn)槌壧栵L(fēng)暴的形成具有很強(qiáng)的突發(fā)性和偶然性,所以空基和地基監(jiān)測必須是穩(wěn)定可靠和持續(xù)不斷的。”

到目前為止,人類對太陽黑子數(shù)量較為完整的記錄積累了23個(gè)周期。汪景琇說,現(xiàn)在大多數(shù)科學(xué)家預(yù)測第24個(gè)太陽活動周極大期出現(xiàn)在2013年,至于會不會出現(xiàn)“超強(qiáng)太陽風(fēng)暴”,仍然無法可靠地預(yù)報(bào);即使到了太陽周極大年,還要看相關(guān)太陽活動是不是對地影響有效(每個(gè)太陽活動周期間都會發(fā)生數(shù)十次強(qiáng)太陽風(fēng)暴,多數(shù)沒有直接撞擊到地球而已,超級太陽風(fēng)暴更屬于低概率事件),其危害如何,還需要具體討論和評估。

但即便超級太陽風(fēng)暴來襲,也并非意味著世界末日來臨。普通民眾對太陽風(fēng)暴的恐懼,主要是災(zāi)難片所引發(fā)的臆想。

雖然太陽風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)發(fā)生的紫外線和X-射線強(qiáng)度可以達(dá)到平靜時(shí)的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍,并拋射出大量的高能帶電粒子,但地球是個(gè)完美的系統(tǒng),其熔融核心、自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的隱形磁場,能夠很好地屏蔽掉大部分高能帶電粒子;而且地球稠密的大氣層能夠吸收大部分的紫外線和X射線,使我們免受輻射損傷。

當(dāng)然,產(chǎn)生強(qiáng)太陽風(fēng)暴時(shí),宇航員和跨越極區(qū)飛行的乘客可能會受到比較顯著的影響。至于美國電影《神奇四俠》中,幾名科學(xué)家因遭受太陽風(fēng)暴侵襲而產(chǎn)生基因突變、獲得超能力的故事,恐怕也只是銀幕上的科幻而已。

我國的觀日志

超強(qiáng)太陽風(fēng)暴和災(zāi)害性空間天氣是除了洪水、臺風(fēng)和地震以外,人類面對的又一類自然災(zāi)害?，F(xiàn)在的太陽物理研究已經(jīng)進(jìn)入了全波段、全時(shí)段的監(jiān)測階段。認(rèn)識太陽活動的發(fā)生和演化規(guī)律,建立完善的太陽風(fēng)暴和空間災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng),是當(dāng)代中國科學(xué)家的一項(xiàng)重要?dú)v史使命。

在國家“十五”和“十一五”規(guī)劃期間,我國科學(xué)家先后實(shí)施了兩個(gè)關(guān)于太陽風(fēng)暴和空間災(zāi)害天氣前沿領(lǐng)域的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(973項(xiàng)目)的系列研究。我國自上世紀(jì)50年代以來,初步建立了地面日地環(huán)境監(jiān)測網(wǎng),包括太陽光學(xué)和射電觀測、地磁觀測、電離層觀測等。我國科學(xué)家創(chuàng)造性發(fā)展的太陽磁場望遠(yuǎn)鏡,已系統(tǒng)觀測太陽向量磁場20多年,標(biāo)志著我國太陽物理研究進(jìn)入國際先進(jìn)行列。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施10年來,我國太陽、空間和地球物理科研團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)研究上取得了重大成果。例如關(guān)于太陽風(fēng)暴和空間災(zāi)害天氣的機(jī)理研究和預(yù)報(bào)模型的建立,為神五、神六、神七、嫦娥一號等重大國家空間計(jì)劃提供了預(yù)報(bào)服務(wù)保障。項(xiàng)目執(zhí)行期間,相關(guān)研究工作得到4次國家自然科學(xué)二等獎,發(fā)表了近一千篇SCI審稿雜志論文,同時(shí)還培養(yǎng)了一支優(yōu)秀的研究隊(duì)伍,一大批杰出的青年科學(xué)家在成長。今年,第二個(gè)國家973項(xiàng)目將要接受國家科技部組織的結(jié)題驗(yàn)收。

與發(fā)達(dá)國家相比,我國的空間預(yù)報(bào)水平雖然在業(yè)務(wù)能力方面差距不大,但探測能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

汪景琇介紹,在太陽物理領(lǐng)域,目前國際上比較新的觀測衛(wèi)星項(xiàng)目有三個(gè):美國和歐洲合作的“日地關(guān)系天文臺”,日本、美國和英國合作的“‘日出太陽觀測衛(wèi)星”,以及美國的“太陽動力學(xué)天文臺”。

在亞洲,印度也已經(jīng)有了以太陽探測為目的的衛(wèi)星?！暗浅＿z憾的是,至今我們國家仍然沒有一個(gè)太陽物理觀測衛(wèi)星在天上運(yùn)行,這與我們的綜合國力,與我們國家與日俱增的預(yù)測、防范太陽風(fēng)暴和空間災(zāi)害天氣危害的需求非常不相稱,這是中國太陽物理學(xué)家心中的‘痛,也是限制中國太陽物理和空間科學(xué)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。”汪景琇說道。

盡管我國已經(jīng)擁有多種先進(jìn)的地基太陽觀測設(shè)備,但地基觀測畢竟存在波段、時(shí)段和地球大氣擾動方面的缺陷,為了實(shí)現(xiàn)天基觀測的愿望,我國的科學(xué)家已經(jīng)筑夢多年,例如推動近20年的空間太陽望遠(yuǎn)鏡(SST)計(jì)劃。該計(jì)劃由國家天文臺艾國祥院士等在上世紀(jì)90年代初提出。計(jì)劃中的空間太陽望遠(yuǎn)鏡可能成為我國第一個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡。直徑1米的鏡頭將使其成為世界上最大的空間太陽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,輔以紫外、X射線等多波段的探測設(shè)備。將望遠(yuǎn)鏡送入太空后,就可擺脫大氣層的干擾,在優(yōu)于百公里空間分辨率下和高偏振精度下,觀測太陽向量磁場的結(jié)構(gòu)和演化,以及太陽大氣的動力學(xué)響應(yīng),認(rèn)識太陽活動的機(jī)理,從根本上提高空間災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)水平。

與此相呼應(yīng)的是“夸父計(jì)劃”,由北京大學(xué)涂傳詒院士等在2003年提出,意在建立一個(gè)從太陽到地球“端到端”的空間天氣衛(wèi)星綜合觀測系統(tǒng),提高空間災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。這一計(jì)劃同樣得到了國內(nèi)太陽和空間物理界的關(guān)注和支持,并且在2007年通過國防科工委的相關(guān)評審,予以預(yù)研立項(xiàng),現(xiàn)由中國科學(xué)院領(lǐng)銜實(shí)施,又稱為“空間風(fēng)暴、極光和空間天氣”探測計(jì)劃?！翱涓赣?jì)劃”由三顆衛(wèi)星組成,其中A星設(shè)置在距地球150萬公里的日地連線上,全天候監(jiān)測太陽活動的發(fā)生及其伴生現(xiàn)象。另兩顆B星在地球極軌飛行,監(jiān)測太陽活動導(dǎo)致的近地空間環(huán)境的變化。

如果說空間太陽望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃將把中國太陽物理研究推向國際最前沿的領(lǐng)域,那么夸父計(jì)劃則將實(shí)現(xiàn)從太陽到近地空間端到端綜合監(jiān)測太陽和空間風(fēng)暴的目標(biāo),兩者互補(bǔ)。

汪景琇說:“我們希望在‘十二五期間,以超強(qiáng)太陽風(fēng)暴及空間災(zāi)害天氣預(yù)測預(yù)報(bào)為主題的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃能夠得以立項(xiàng),讓我們把前兩期973項(xiàng)目開展的工作繼續(xù)做下去,把還沒有做好的在第三期做得更好,把新的熱點(diǎn)前沿問題考慮進(jìn)來并做起來;希望第三期有更年輕的同事?lián)?fù)重任,為國家的空間安全、社會和諧和國家戰(zhàn)略發(fā)展做出貢獻(xiàn)。”

關(guān)注太陽周的異常行為

太陽有時(shí)活動異常,有時(shí)也比較平靜穩(wěn)定。它的輻射只要改變0.1%——0.2%,就可能造成地球氣候的很大改變。汪景琇提醒,其實(shí)除了警惕超強(qiáng)太陽風(fēng)暴,對于太陽活動周的異常行為也要予以特別關(guān)注。

持續(xù)極小的太陽活動可能引起氣候異?！?dú)鉁亟档?地球進(jìn)入小冰期。比如,從1645到1715年,就有一段被稱為“蒙德爾極小期”的時(shí)期。整個(gè)期間太陽上總共只觀測到50個(gè)左右的太陽黑子。蒙德爾極小期與小冰期中最冷的一段時(shí)間相合。當(dāng)時(shí)的歐洲和北美洲,以及世界上許多地區(qū),冬季尤其寒冷。而在1787——1843年間的道爾頓極小期,倫敦人在圣誕節(jié)可在泰晤士河面溜冰。黑子活動的極低和嚴(yán)寒氣候的關(guān)聯(lián),仍是持續(xù)受到爭辯的題目和非常值得關(guān)注的課題。

有一些嚴(yán)肅的學(xué)者曾對英國的小麥產(chǎn)量與極低太陽活動的關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)極低太陽活動時(shí)糧食減產(chǎn),結(jié)果小麥價(jià)格走高。

汪景琇指出,“太陽周異常行為不像一次超強(qiáng)太陽風(fēng)暴的短暫影響,而是長期潛在的對氣候異常、全球變化的影響,也要加以防范和思考?！蔽覈诙€(gè)973項(xiàng)目中也提倡對太陽周的異常行為和可能的影響作研究,注重長期太陽周的預(yù)報(bào)。

目前,國際學(xué)術(shù)界正在討論:第24個(gè)太陽活動周是不是一個(gè)極強(qiáng)的太陽活動周。

美國科學(xué)家曾預(yù)報(bào)第24個(gè)太陽周太陽活動極強(qiáng)。但印度科學(xué)院院士Arnab RaiChoudhuri和我國科學(xué)院國家天文臺姜杰博士等合作,由太陽發(fā)電機(jī)理論模型,預(yù)報(bào)第24個(gè)太陽活動周比第23周要弱約30%,這一研究成果在《物理評述快報(bào)》(Physical Review Letters)主編建議欄目下發(fā)表,在國際上引起重大反響。

今年入夏,北半球“極冷點(diǎn)”全都出現(xiàn)高溫,是不是與太陽活動水平有關(guān)?汪景琇認(rèn)為:“現(xiàn)在不好說溫度太高,只能說不太正常。很可能與第23個(gè)太陽周周末期和第24個(gè)周初期的超低太陽活動水平有關(guān)系——超低的太陽活動水平總會對地球環(huán)境產(chǎn)生某類影響,但具體是什么影響、如何影響,又是涉及多學(xué)科的更加困難的研究課題?！?/p>

鏈接

日地關(guān)系天文臺(STEREO)是美國宇航局和約翰?霍普金斯大學(xué)聯(lián)合研制的兩顆太陽探測衛(wèi)星,于2006年發(fā)射升空,分別位于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道前方和后方,目的是在不同的角度對太陽進(jìn)行立體觀測,拍攝太陽的三維圖像,對研究太陽的日冕物質(zhì)拋射、耀斑的發(fā)生發(fā)展過程有重要意義。

“日出號”太陽觀測衛(wèi)星(Hinode)是2006年9月由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)射的,衛(wèi)星搭載有日本與美國、英國共同開發(fā)的可見光磁場望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡、極端紫外線攝像分光裝置這三種望遠(yuǎn)鏡。其最大特點(diǎn)是能在非常高的空間分辨率和很高的偏振精度下,觀測太陽的磁場結(jié)構(gòu)。Hinode公開的數(shù)據(jù)為科學(xué)家研究太陽磁場和太陽活動的機(jī)理提供了極大幫助。

相對前兩個(gè)衛(wèi)星,美國的太陽動力學(xué)天文臺(SDO)則是更具雄心的一個(gè)計(jì)劃。它于今年2月在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角發(fā)射中心發(fā)射,打破了時(shí)標(biāo)以及清晰度的壁壘,可以通過觀測太陽的震蕩、太陽全日面的速度場等,反演太陽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)——就像用地震學(xué)的方法了解地殼結(jié)構(gòu)一樣,同時(shí)觀測太陽全日面向量磁場。SDO還能夠每秒鐘拍攝一張超高分辨率的太陽照片。該項(xiàng)目科學(xué)家認(rèn)為,SDO在人類認(rèn)識太陽方面帶來的革新將如同哈勃太空望遠(yuǎn)鏡為天體物理學(xué)帶來的變革。

除此之外,太空中還有一些尚未退役的國際“觀日者”,比如美國NASA在1995年發(fā)射的太陽與日球天文臺(SOHO)——過去15年里,我們看到的多數(shù)太空中拍攝的太陽照片便來自SOHO;還有NASA發(fā)射的過渡區(qū)和日冕探測員(TRACE)、歐洲航太總署(ESA)發(fā)射的Cluster衛(wèi)星群等,都為科學(xué)家了解太陽活動和空間天氣提供了主要的參考。