揣測太陽的喜怒哀樂,實時模擬太陽風暴,這些就是科學家幹的好事!

2021-01-21 博科園

科學家研究了如何模擬太陽風暴，以便能夠更準確地預測它們對地球的影響，研究為實時模擬太陽風暴提供了一個更準確的模型。太陽是一顆極其活躍的恆星，它以許多不同的方式影響著太陽系的行星，最明顯的效果之一是極光。這些極光是由太陽風引起，即太陽發出穩定的質子和電子流，它與地球磁場相互作用，產生五顏六色的光效應。在正常情況下，地球磁場在很大程度上保護地球不受太陽風的影響。

但有時，太陽上會爆發巨大的耀斑，在相對較短的時間內將大量熱物質拋入太空。幾天後，這種物質以太陽風暴的形式撞擊地球，可能會損壞衛星，擾亂GPS導航，甚至導致停電。在很大程度上，這些事件究竟涉及到什麼仍然是未知的，這就是為什麼幾個太空探測器在船上攜帶了記錄來自外層空間太陽風暴的儀器。由奧地利科學院格拉茨空間研究所的天體物理學家Christian Möstl領導的一個研究小組，正在實施由奧地利科學基金FWF資助的一系列項目。

以實時模擬太陽風暴及其對地球的影響，從而能夠更精確地預測此類極端事件。在2019年完成的一個項目中，由莫斯特爾領導的一個團隊，開發了一個特別詳細的太陽風暴傳播模型。目標是明確的，想要預測太陽風暴，有幾個太空探測器可以跟蹤離地球一定距離的太陽風暴。在20世紀90年代，SOHO探測器是第一個記錄下來的，今天還有帕克太陽探測器和另外兩個名為STEREO的探測器。所有這些探測器都在黃道面內或黃道面附近移動，黃道面是行星繞太陽運行的平面。

目前的探測器無法確定飛船外的太陽風暴是什麼樣子，這些模型需要在儘可能現實的假設基礎上工作，較舊的模型假定為點狀或圓形結構，但這是不切實際的。在之前的項目中，用圓弧代替了圓。在新項目中，研究人員現在採取了下一步，使用了橢圓形。為了進一步提高精確度，研究團隊在模型中添加了一些效果。太陽風的速度通常比太陽風暴慢，會減緩它們的速度。太陽風暴對太陽風作用強烈。新模型首次將STEREO的廣角觀測與太陽風產生的阻力效應結合起來。該模型的獨特之處在於，一旦有合適的數據，就能產生實時預測。正如項目團隊成員坦賈·阿莫斯託弗(Tanja Amerstorfer)指出的那樣：這樣的數據可能會在2020年代中期由歐空局預定的衛星任務提供。這不是要追溯地再現效果，而是要有一個我們可以實時使用的工具。一般來說，太陽風暴需要四五天才能到達地球，雖然創紀錄的速度是14小時，但這些時間足夠建立早期預警系統。然而，目前還沒有官方機構來預測太陽風暴何時會襲擊地球。

研究人員表示有一個網站，像我們這樣的研究小組，可以在那裡就太陽風暴抵達的時間預測。2011年參與並獲勝，但也非常明確地表示，這不是一個嚴謹的預警系統。因此，仍然缺乏一個有效的早期預警系統，歷史上有過幾次太陽風暴，在今天會造成巨大的破壞。上一次這類重大事件是1989年在魁北克發生的，當時涉及停電。在1859年和1921年，更大的太陽風暴襲擊了地球。當時，在中緯度地區甚至可以看到極光，例如在羅馬。那次事件損壞了電報線路，在今天的基礎設施上，這樣的事件將產生毀滅性影響。美國和英國已經將這種情況納入了國家災難計劃。2012年，一場規模相當於1859年事件的太陽風暴險些與地球擦肩而過。在建立可靠的預警系統之前，還有很多工作要做，目前估計抵達時間的誤差最多在10小時左右。最大的懸而未決的問題是：太陽風暴中的磁場，這些磁場是以大而彎曲所謂「通量管」的形式出現。但只能假設這些管中的磁場究竟是如何「配置」的。

了解太陽風暴中磁場的性質很重要，這與風暴的大小一樣重要：磁場的方向就像一個開關。如果風暴的磁場與地球磁場方向相反，它將向地球磁場傳遞比相同方向磁場多得多的能量。速度也起著重要作用：短暫、快速的風暴比較慢、較長的風暴有更強影響。此外，太陽風暴通常不是作為單個事件發生的，而是可能立即相繼發生，並相互作用。在隨後的奧地利科學基金會（FWF）項目中，格拉茨研究小組現在正在研究問題的不同方面，以便建立整個模擬鏈。研究人員想把所有的東西都放在一個模型裡，從太陽風暴的爆發到對地球、極光和地面洋流的影響，這就是我們研究的目標。

博科園｜研究/來自：奧地利科學基金會

參考期刊《自然通訊》《Space Weather 》

DOI: 10.1038/ncomms8135

DOI: 10.1029/2017SW001786

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