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我们迫切需要太空“气象”预报?

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  太阳风暴会对地球造成严重破坏,而且它们会在没有预警的情况下袭来。因此,我们迫切需要——太空“气象”预报

  征兆在2022年1月30日就出现了,但当时没有人预料到它有多严重。那天,太阳向着地球抛出一团日冕物质,形成太阳风暴。这本来不是一个大问题,虽然太阳风暴能加热地球的大气层,使其膨胀,导致地球低空卫星运行的轨道真空度降低,阻力变大,但这一般只有轻微的后果。然而,几天后,当美国著名的私人航天公司SpaceX将49颗星链卫星发射到低空轨道之后,发现卫星遭遇了比预期大得多的阻力。最后,这些卫星坠落下来,在大气层中烧毁。

  这一事故显示了太阳的“任性”有时会给我们带来多大的破坏力。

  太阳风暴的破坏性不堪设想

  在地球上,我们每日都在享受着来自太阳的好处。但是别忘了,我们也生存在持续的太阳风的威胁之下。太阳风携带着大量带电粒子,幸好它们中大多数被地磁场偏转了,到达不了地面,顶多只在两极的大气中形成炫丽的极光。

  然而,每隔一段时间,太阳就会吐出更多的物质,形成所谓的日冕物质抛射(CEM),到达地球就是太阳风暴。太阳风暴威胁到地球上的卫星和基础设施,袭击星链卫星只是一个小小的例子。

  为了让你了解太阳风暴的破坏性有多严重,让我们把时钟拨回到1859年9月2日。那一天,地球被一场巨大的太阳风暴所吞没。巨量的带电粒子从太阳表面被抛出,当它们来到地球,冲击了地磁场所形成的屏障。接下来发生的事情完全是突如其来:全球电报系统出现故障,电报线火花四溅,引发火灾。一名电报员被电火花击晕。罗盘毫无用处地摇摆。全球通信和海上航行都陷入停顿。

  幸好如此大规模的太阳风暴发生在科技还不太发达的19世纪,如果发生在今天,后果更不堪设想。今天,我们更加依赖电力,而电网在太阳风暴面前是脆弱的。我们有大量的低轨道卫星,无数车辆、船只、飞机依靠GPS导航,还有人在空间站生活。太阳风暴甚至可以破坏互联网。

  要把危害降低需要我们像预报天气一样,预报太空的“气象”。

  太空“气象”预报

  日冕物质抛射是太阳在磁暴活动中抛射出来的,磁暴活动通常伴有耀斑。射出的粒子需要一两天时间才能到达地球。因此,太空气象预报的基本思路是:先在紫外线波段寻找太阳的耀斑;然后用日冕仪(一种特殊的能阻挡太阳刺眼光芒的相机),寻找任何抛射出的日冕物质;如果日冕物质向地球方向移动,就发出警报。

  虽然这原则上很简单,但在实践中并不容易。因为最近的研究表明,一些太阳风暴可能会在完全没有可见耀斑的情况下袭向我们。在过去几年里,太阳物理学家已经开始怀疑,一些日冕物质是悄悄来到地球的。他们把这称为“隐形日冕物质抛射”(隐形CME)。

  如果隐形CME的出现没有任何预兆,它们的来袭就是不可预测的,这对于我们是个极大的打击。但天文学家并不甘心,还是想方设法去发现隐形CME出现前蛛丝马迹的预兆。

  目前,有一群天文学家正在研究隐形的CME。他们也确实找到了一些隐形CME出现前的暗示,如太阳表面的一个瑕疵或一个不寻常的图案等,不过离预报还是相当遥远。

来自太阳的带电粒子在北极上空形成的炫丽的极光

  同时,一些天文学家认为,推动隐形CME和可预测的CME(即伴随耀斑的CME)形成的物理机制很可能是不同的。因此,迫切需要对太阳的活动有更深入的了解。为此,他们把现有在太阳系内部绕着太阳的各种航天器整合起来,形成空间气象站的各个站点。这些航天器包括美国的帕克太阳探测器和欧洲的太阳轨道器,还有欧日联合的水星任务以及欧美联合的SOHO任务,等等。

  总之,我们目前对空间气象的理解正在飞跃性地提高,但是,要可靠地预报太空“气象”,任务仍然十分艰巨。

  我们知道,太阳活动大约以11年为一个周期,从低谷到高潮再到低谷。在太阳活动进入最低点前后,天文学家估计多达三分之一的CME是隐形的。当太阳活动进入极盛期,情况更糟。那时候甚至连可见的耀斑都很难与特定的日冕物质抛射联系起来,更不用说隐形的日冕物质抛射了。

  上一次太阳活动最低点是在2019年12月。现在,太阳正朝着高潮期上升,预期2025年左右达到最高点,届时地球卫星、电网和互联网等基础设施将面临巨大的风险。时不我待,但愿太空“气象”预报系统能早日建立和完善起来。

  炸锅的互联网

  没有互联网,你能忍耐多久?随着太阳活动进入下一个最高点,预计到了2025年左右,答案就会揭晓。

  2021年,一份关于太阳活动可能影响互联网的分析报告认为,横跨海底的光缆特别容易受到影响。这是因为海底光缆需要很长的电线来连接各个“中继站”,即防止光信号产生误差的设备。当一个大规模的太阳风暴袭来时,磁暴可能会在连接中继站的电线中引起巨大的电流。届时,80%的海底光缆可能失效。

  如果能提前预警,以某种方式切断电路,可能会有帮助,但预警并不总是可能的,尤其当太阳风暴是由隐形的日冕物质抛射引起的时候。而修复海底电缆的成本很高,也很耗时。总之,不管是提前切断还是为了修复,我们都可能不得不面临长时间断网的风险。

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