方陵生

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

太陽是恒星家族中一個脾氣暴躁的“中年大叔”，動不動就會釋放出大量的能量。自2019年12月以來，太陽進入了周期性活動的活躍階段，越來越強烈的能量脈沖向各個方向迸射，其中一些帶電粒子會朝著地球的方向飛來。如果沒有一個好的預測方法，那么直面太陽風暴襲擊的地球是很脆弱的。

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

2012年夏季的那場太陽風暴，是自1859年以來研究人員觀測到的最強烈的太陽風暴。而發(fā)生在當年9月的一場強大的太陽風暴襲擊北半球時，地球就沒那么幸運了，位于歐洲和北美境內的許多電報系統(tǒng)相繼出現(xiàn)了故障，這一事件被稱為“卡林頓事件”。此次太陽風暴事件之所以以英國天文學家理查德·卡林頓的名字命名，是因為他目睹了天空中強烈明亮的光點，并記錄下了他所看到的一切。

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

對此，美國密歇根大學大氣和空間科學家亞倫·雷德利認為：“我們了解太陽風暴是如何形成的，但是不能準確地預測它們?！眮唫悺だ椎吕Ｍ?，如科學家們知道如何繪制龍卷風和颶風可能經(jīng)過的路徑一樣，也能預測太陽風暴可能經(jīng)過的路徑。

目前，比較理想的方案是在太陽風暴登陸地球或導致衛(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，就能收到太陽風暴襲來的警報。有了這種太空天氣預報預警，各國政府就可以有充足的時間提前關閉電網(wǎng)，或讓衛(wèi)星遠離危險的區(qū)域。

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

近期，亞倫·雷德利參與了其中一項相關的合作研究項目，該項目旨在模擬太陽風暴，幫助科學家快速準確地預測太陽風暴的走向、強度，以及可能影響地球上重要衛(wèi)星和電網(wǎng)的時間。

當科學家談論太空天氣時，通常指的是兩件事：一是太陽風，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，日冕物質拋射（簡稱CMEs），是最具威脅性的太陽風暴。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，但它們一般不會引起太多關注。

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

19世紀，德國天文學家塞繆爾·海因里?！な┩卟及l(fā)現(xiàn)，太陽活動周期為11年。最近一次太陽活動周期于2019年12月結束，目前，太陽活動正從最低點走向第25周期的最大值（天文學家對太陽活動周期進行了編號）。太陽風暴，特別是危險的日冕物質拋射，正變得越來越頻繁和強烈，預測在2024年至2026年將達到頂峰。

一般來說，太陽活動周期最活躍的階段，也是日冕物質拋射最強烈的階段，但也有很多不確定的變化。例如，1859年的日冕物質拋射是在太陽活動周期一個相對平穩(wěn)的階段。如果日冕物質拋射直奔地球而來，那么最先抵達地球的是電磁輻射，只需8分鐘即可到達。日冕物質拋射通常會產(chǎn)生一種沖擊波，將質子加速到極致速度，使其在20分鐘內到達地球。這種高能粒子對地球有很大危害，會給高軌道衛(wèi)星的電子設備或太陽能電池造成破壞，還可能傷害在地球磁場保護范圍之外的宇航員，例如在月球上執(zhí)行任務的宇航員。但處于國際空間站上的宇航員大概率是安全的，因為他們仍處于地球磁場的保護范圍之內。

2013年，一團明亮的帶電粒子云從太陽中噴射而出

日冕物質拋射的最大威脅是等離子體云，其范圍巨大，可達幾百萬千米，通常需要一到三天的時間才能到達地球，取決于太陽將其推向地球的速度。地球磁場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)星和地面觀測數(shù)據(jù)表明，日冕物質拋射的帶電粒子會與地球磁場相互作用并扭曲磁場。這些相互作用可能產(chǎn)生兩個重要的影響：一是在地球高層大氣中產(chǎn)生更強烈的電流;二是將這些更強的電流從兩極轉移到人口更多、基礎設施更集中的地方。一場強大的太陽風暴會將衛(wèi)星和地球上的電網(wǎng)置于極度危險之中。

太陽風暴沖擊將導致遠程無線電信號或電信信號中斷，強大的太陽風暴還會干擾航行中的飛機，導致飛行員與空中交通管制員失去聯(lián)系。這些影響都是暫時性的，通常持續(xù)一天，但對電網(wǎng)的影響可能會更嚴重。一次巨大的日冕物質拋射可能會導致地球上通過電網(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因此而熔化或爆炸。1989年3月13日的日冕物質拋射，導致加拿大魁北克省全境停電達9個多小時，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發(fā)出預警，電網(wǎng)運營商就可以及時采取措施減少損失，如降低通過線路電流的功率，減少電網(wǎng)的互聯(lián)，并在需要的地方設置備用發(fā)電機等。

空間氣象學家根據(jù)太陽活動對地球磁場的擾動程度，將太陽風暴分為五級。與預測熱帶風暴不同的是，現(xiàn)有的衛(wèi)星無法精確預測太陽風暴的到來。各國氣象部門可以獲得不斷更新的地球風暴數(shù)據(jù)，但是關于太陽風暴可供利用的數(shù)據(jù)還是太少。

空間天氣預測的重大挑戰(zhàn)之一，是要在日冕物質拋射抵達地球較久之前就能預測到太陽磁場的活動，以便為即將到來的太陽風暴做好充分準備。目前，監(jiān)測太空氣象的兩顆衛(wèi)星分別是美國宇航局的ACE衛(wèi)星和2015年發(fā)射的美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的深空氣候觀測衛(wèi)星（DSCOVR）。在地球上方150萬千米的軌道上運行的這兩顆衛(wèi)星，在太陽風暴即將到來時才能探測到。這意味著只有15到45分鐘的預警時間，這更像是“即時報告”，只能提供一個倉促應對的預警。此外，這兩顆衛(wèi)星，包括1995年由美國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)測不包括太陽兩極在內的有限范圍，在觀測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"L1和L5的位置上對太陽進行監(jiān)測

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）

為了更好地估計日冕物質拋射爆發(fā)的時間和強度，美國國家海洋和大氣管理局的科學家們計劃于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，歐洲航天局將啟動第一次太空氣象任務，將“拉格朗日”航天器發(fā)射到地球環(huán)繞太陽運行的軌道上?！袄窭嗜铡焙教炱鲗⒈绕渌教炱髟鐜滋毂O(jiān)測到太陽活動的耀斑區(qū)域，也能更快確定太陽風暴的速度和方向，以便科學家做出更精確的預測。

美國科羅拉多大學博爾德研究和教育中心空間氣象技術執(zhí)行主任、物理學家托馬斯·伯杰等研究人員對地球上層大氣進行模擬和建模。新數(shù)據(jù)和新模型可能不會在即將到來的太陽活動周期及時上線，但應該能在21世紀30年代的第26次太陽活動周期內準備就緒。到那時，科學家們也許能夠提前發(fā)出警報，以便預留出更多的時間做好應對措施，避免最糟糕的情況發(fā)生。