太阳活动高峰又要来了。太阳醒了,它会不会毁灭掉信息化的文明世界,就像电影《先知》里那样?科学家们之间也在争论不休。
　　整个2008年,太阳活动处于百年不遇的低潮,不知道还有没有人记得2003年那个非比寻常的万圣节。当时在美国加州中部上空出现了罕见的极光,这本来只有在千里之外的阿拉斯加才能看见。全球范围内的通讯受到干扰:海事卫星电话系统瘫痪,导致珠峰探险队通讯中断;全球定位系统(GPS)的精度降到了50米甚至更低;穿越高纬度地区的航班受到的影响最大,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,光是多消耗的燃油,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;美国宇航局的半数卫星出现故障,日本的一颗气象卫星与地面失去了联系;国际空间站上的机械臂被关闭,两名宇航员紧急转移至射线防护效果最好的生活舱。
　　这就是上一个太阳活动峰年的“太阳风暴”。它是“空间天气”的主要研究对象。就像大气里的灾难性风暴天气,太阳活动也会造成灾难性的空间天气现象。太阳活动由它的磁场所驱动,到了太阳活动峰年,黑子——太阳表面磁场纽结形成的暗斑——以及耀斑就会大批出现,太阳上的磁场会“吹”出带电粒子流,被称为太阳风。黑子和耀斑会在太阳风中形成湍流,向宇宙空间喷射大量的带电粒子流。
　　新的太阳活动周期刚刚开始,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,而最大的危害发生在更外层的太阳日冕中,伴随着磁场能量的瞬间剧烈释放,数十亿吨的等离子体会被抛射到宇宙空间,形成日冕物质抛射(CME)。如果CME不幸击中地球磁场,就会造成严重的结果。
　　
　　袭击地球的完美风暴
　　
　　空间天气和人类关系密切,太阳风暴可能对高度信息化的人类社会以灾难性打击。首当其冲的受害者是人造卫星。2000年7月14日,日本的“宇宙学和天体物理高新卫星”(ASCA)在太阳风暴中失去能源,姿态失控,几个月后便坠入了大气层。在几个小时内,太阳风暴就能使人造卫星的寿命缩短大约两年。因为带电粒子会侵蚀卫星的太阳能电池板,同时它还会在电路中引发错误的指令,或者造成放电等卫星故障。此外,太阳风暴能量的注入会使得地球大气层膨胀,增加了低轨卫星的大气阻尼,让它们提早坠落。
　　接下来毁坏的是供电系统。1989年3月13日,加拿大魁北克省有600万人在没有电力的情况下度过了9个小时,因为太阳风暴毁坏了电网中的变压器。侵入的等离子体会造成地球磁场的快速变化,变化的磁场在电网中诱导产生电流。但是电网的设计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,它会使得不堪重负的变压器磁核饱和,其结果就是变压器的铜线升温熔化。
　　太阳风暴还会影响G P S的无线电信号。它不仅会干扰传播信号的电离层,还会产生额外的噪音信号。在2003年万圣节的太阳风暴中,除了民航客机的导航系统受到影响,太阳风暴中的高能粒子还干扰了飞机的无线电通讯。特别是对于高纬度地区的航线,由于地球磁场的保护作用较弱,太阳风暴甚至会使得航班改变航线达数天之久。当人类生活越来越依赖于信息化,科学家们也越来越渴望能对这些“空间天气”进行精确的预报。
　　
　　太阳风暴的前哨
　　
　　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:一旦察觉到有太阳风暴发生的征兆,就发出预警让人们做好准备。最早的空间天气预报员,是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。但是在地球和太阳之间,没有能用来监测来袭太阳风暴的“前哨”。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。
　　直到1995年,欧洲和美国联合把“太阳和太阳风层探测器”(SOHO)发射到了位于太阳和地球之间、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。就在2003年万圣节太阳风暴所在的10月里,SOHO成功地监测到了一次CME,在它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,否则的话损失还要大得多。
　　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1/3的大型太阳风暴被漏报,而另有1/4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。
　　
　　2012:一切皆未知
　　
　　人们已经可以进行几个小时的短期预报,但是还缺少长期预测的能力,因为对太阳的认识不足。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,但这只是使用统计得出的结果,很难说有多少可信度。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会有磁场累积,它与下一个太阳活动周期的强度有相关性。正是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。还有其他的预测方法,例如根据太阳10.7厘米射电辐射流量以及太阳极区亮斑的数量,也会得出下一个太阳活动周期比较弱的结论。但是如果根据另外一些模型,例如太阳活动周期的强度和两个太阳活动周期前黑子数之间存在相关性的预测,2012年又将出现强太阳活动。之所以得出相互矛盾的结论,还是因为这些预报主要倚赖于观测太阳活动的“征兆”,缺乏对物理机制的考虑。
　　为了进行有效的长期预报,空间物理学家开始追赶气象学家,构建自己的计算机模型。气象学家们从上个世纪50年代就开始建立并完善他们的计算机模型,利用全世界的天气观测数据来计算天气的演化。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。
　　但要得到空间天气的预报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,一旦它们停止工作,在这个方向上就完全成了“瞎子”。
　　幸好,如果中国的“夸父计划”能如期在2012年上天,将有效地补充在L1上对太阳风暴岌岌可危的监测能力。这是中国和国际合作开展的太阳监测卫星计划。“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,用于对北极光进行24小时的监测。如果按期实施,该计划将是世界上唯一一个系统的日地空间探测计划。
　　其次是物理建模的困难。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℃的太阳日冕,到地球上层的低温大气,再到地面,这一切需要许多不同的子模型来衔接从太阳到地球的整个过程。为此美国的空间天气科学家们建立起了一个松散的组织,来研发并且测试日地关系模型和30个子模型,不过到目前为止还没有一个子模型通过测试进入实用阶段。在这些模型中领跑的是研究CME如何在太阳和ACE卫星之间传播的子模型,但是在太阳峰年到来的2、3年内还无法投入正式的使用。这些模型和真刀真枪的预报比起来还相去甚远。即便如此,还是有一些科学家想试试他们的“运气”。
　　
　　太阳传送带:下一波会更强
　　
　　第一个基于完整太阳物理模型的预报,给出的是一个悲观的结果。美国国家大气研究中心(NCAR)的科学家迪克帕提(Mausumi Dikpati)和她的小组发展了一套数值模拟方法得出:下一个太阳峰年会更强,太阳的黑子和活动会比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,在极区积聚,之后会向赤道回流。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”至少20年。因此太阳活动的强度,不仅仅倚赖于前一个周期,还和更早的活动周期历史有关。
　　谁是谁非很快就能见分晓,毕竟距离下一个太阳活动峰年,所剩下的时间已经不多。但如果在空间探测器、预报模型两方面都没有取得进展的话,也许我们的处境就像是蒙住双眼应对龙卷风的袭击。