科學(xué)家研究了如何模擬太陽(yáng)風(fēng)暴，以便能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它們對(duì)地球的影響，研究為實(shí)時(shí)模擬太陽(yáng)風(fēng)暴提供了一個(gè)更準(zhǔn)確的模型。太陽(yáng)是一顆極其活躍的恒星，它以許多不同的方式影響著太陽(yáng)系的行星，最明顯的效果之一是極光。這些極光是由太陽(yáng)風(fēng)引起，即太陽(yáng)發(fā)出穩(wěn)定的質(zhì)子和電子流，它與地球磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生五顏六色的光效應(yīng)。在正常情況下，地球磁場(chǎng)在很大程度上保護(hù)地球不受太陽(yáng)風(fēng)的影響。
但有時(shí)，太陽(yáng)上會(huì)爆發(fā)巨大的耀斑，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)將大量熱物質(zhì)拋入太空。幾天后，這種物質(zhì)以太陽(yáng)風(fēng)暴的形式撞擊地球，可能會(huì)損壞衛(wèi)星，擾亂GPS導(dǎo)航，甚至導(dǎo)致停電。在很大程度上，這些事件究竟涉及到什么仍然是未知的，這就是為什么幾個(gè)太空探測(cè)器在船上攜帶了記錄來(lái)自外層空間太陽(yáng)風(fēng)暴的儀器。由奧地利科學(xué)院格拉茨空間研究所的天體物理學(xué)家Christian M?stl領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，正在實(shí)施由奧地利科學(xué)基金FWF資助的一系列項(xiàng)目。
橢圓形的太陽(yáng)風(fēng)暴？
以實(shí)時(shí)模擬太陽(yáng)風(fēng)暴及其對(duì)地球的影響，從而能夠更精確地預(yù)測(cè)此類極端事件。在2019年完成的一個(gè)項(xiàng)目中，由莫斯特爾領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)特別詳細(xì)的太陽(yáng)風(fēng)暴傳播模型。目標(biāo)是明確的，想要預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴，有幾個(gè)太空探測(cè)器可以跟蹤離地球一定距離的太陽(yáng)風(fēng)暴。在20世紀(jì)90年代，SOHO探測(cè)器是第一個(gè)記錄下來(lái)的，今天還有帕克太陽(yáng)探測(cè)器和另外兩個(gè)名為STEREO的探測(cè)器。所有這些探測(cè)器都在黃道面內(nèi)或黃道面附近移動(dòng)，黃道面是行星繞太陽(yáng)運(yùn)行的平面。
目前的探測(cè)器無(wú)法確定飛船外的太陽(yáng)風(fēng)暴是什么樣子，這些模型需要在盡可能現(xiàn)實(shí)的假設(shè)基礎(chǔ)上工作，較舊的模型假定為點(diǎn)狀或圓形結(jié)構(gòu)，但這是不切實(shí)際的。在之前的項(xiàng)目中，用圓弧代替了圓。在新項(xiàng)目中，研究人員現(xiàn)在采取了下一步，使用了橢圓形。為了進(jìn)一步提高精確度，研究團(tuán)隊(duì)在模型中添加了一些效果。太陽(yáng)風(fēng)的速度通常比太陽(yáng)風(fēng)暴慢，會(huì)減緩它們的速度。太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)太陽(yáng)風(fēng)作用強(qiáng)烈。新模型首次將STEREO的廣角觀測(cè)與太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生的阻力效應(yīng)結(jié)合起來(lái)。
實(shí)時(shí)模擬
該模型的獨(dú)特之處在于，一旦有合適的數(shù)據(jù)，就能產(chǎn)生實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。正如項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員坦賈·阿莫斯托弗(Tanja Amerstorfer)指出的那樣：這樣的數(shù)據(jù)可能會(huì)在2020年代中期由歐空局預(yù)定的衛(wèi)星任務(wù)提供。這不是要追溯地再現(xiàn)效果，而是要有一個(gè)我們可以實(shí)時(shí)使用的工具。一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)風(fēng)暴需要四五天才能到達(dá)地球，雖然創(chuàng)紀(jì)錄的速度是14小時(shí)，但這些時(shí)間足夠建立早期預(yù)警系統(tǒng)。然而，目前還沒(méi)有官方機(jī)構(gòu)來(lái)預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴何時(shí)會(huì)襲擊地球。
研究人員表示有一個(gè)網(wǎng)站，像我們這樣的研究小組，可以在那里就太陽(yáng)風(fēng)暴抵達(dá)的時(shí)間預(yù)測(cè)。2011年參與并獲勝，但也非常明確地表示，這不是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念A(yù)警系統(tǒng)。因此，仍然缺乏一個(gè)有效的早期預(yù)警系統(tǒng)，歷史上有過(guò)幾次太陽(yáng)風(fēng)暴，在今天會(huì)造成巨大的破壞。上一次這類重大事件是1989年在魁北克發(fā)生的，當(dāng)時(shí)涉及停電。在1859年和1921年，更大的太陽(yáng)風(fēng)暴襲擊了地球。當(dāng)時(shí)，在中緯度地區(qū)甚至可以看到極光，例如在羅馬。
磁場(chǎng)是個(gè)問(wèn)題
那次事件損壞了電報(bào)線路，在今天的基礎(chǔ)設(shè)施上，這樣的事件將產(chǎn)生毀滅性影響。美國(guó)和英國(guó)已經(jīng)將這種情況納入了國(guó)家災(zāi)難計(jì)劃。2012年，一場(chǎng)規(guī)模相當(dāng)于1859年事件的太陽(yáng)風(fēng)暴險(xiǎn)些與地球擦肩而過(guò)。在建立可靠的預(yù)警系統(tǒng)之前，還有很多工作要做，目前估計(jì)抵達(dá)時(shí)間的誤差最多在10小時(shí)左右。最大的懸而未決的問(wèn)題是：太陽(yáng)風(fēng)暴中的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)是以大而彎曲所謂“通量管”的形式出現(xiàn)。但只能假設(shè)這些管中的磁場(chǎng)究竟是如何“配置”的。
了解太陽(yáng)風(fēng)暴中磁場(chǎng)的性質(zhì)很重要，這與風(fēng)暴的大小一樣重要：磁場(chǎng)的方向就像一個(gè)開(kāi)關(guān)。如果風(fēng)暴的磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)方向相反，它將向地球磁場(chǎng)傳遞比相同方向磁場(chǎng)多得多的能量。速度也起著重要作用：短暫、快速的風(fēng)暴比較慢、較長(zhǎng)的風(fēng)暴有更強(qiáng)影響。此外，太陽(yáng)風(fēng)暴通常不是作為單個(gè)事件發(fā)生的，而是可能立即相繼發(fā)生，并相互作用。
模擬整個(gè)效果鏈
在隨后的奧地利科學(xué)基金會(huì)（FWF）項(xiàng)目中，格拉茨研究小組現(xiàn)在正在研究問(wèn)題的不同方面，以便建立整個(gè)模擬鏈。研究人員想把所有的東西都放在一個(gè)模型里，從太陽(yáng)風(fēng)暴的爆發(fā)到對(duì)地球、極光和地面洋流的影響，這就是我們研究的目標(biāo)。
博科園｜研究/來(lái)自：奧地利科學(xué)基金會(huì)
參考期刊《自然通訊》《Space Weather 》
DOI: 10.1038/ncomms8135
DOI: 10.1029/2017SW001786
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