科學也可以如此靠近

太陽風暴會導致數萬億美元的災難,人類的主要防禦手段是什麼?

2月
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2020

2020年2月06日05時 薛定諤的科學

薛定諤的科學

圖註:NSF的Inouye太陽望遠鏡發布的"第一光"圖像片段以前所未有的高解析度顯示太陽表面的德州大小的對流單元。第一次,可以查看單元之間的特徵,解析度小至30公里,從而揭示太陽內部發生的過程。

2019年12月12日,世界上最強大的太陽天文台——美國國家科學基金會的丹尼爾·K·井上太陽望遠鏡首次「睜開」眼睛。井上太陽望遠鏡擁有直徑4米的主鏡和獨特的偏心設計,能夠在太陽上成像小到30公里的特徵。在2020年1月29日發布的第一張光照圖片中,德州大小的對流單元之間的特徵首次被揭示出來。

但是井上太陽望遠鏡提供的不僅僅是我們母星的美麗圖像;它是眾多太陽天文學項目中的一個,所有這些項目都在共同努力,保護我們的星球免受數萬億美元的災難:災難性的太陽耀斑。它可能會在今年的任何時候出現,也可能會持續幾個世紀,但研究太陽是唯一的準備方法。下面是這些美麗的圖片背後的科學。

直到1859年,太陽天文學還是非常簡單的:科學家們研究太陽發出的光,偶爾涉及太陽表面的黑子,並在日食期間觀察日冕。但是在1859年,太陽天文學家理察卡林頓碰巧在觀察太陽,跟蹤一個巨大的、不規則的太陽黑子,這時發生了一件史無前例的事情:觀測到一個「白光耀斑」,強烈明亮,在整個黑子本身移動了大約5分鐘,然後完全消失。

這是第一次觀測到我們現在所說的太陽耀斑。大約18小時後(大約是大多數太陽耀斑速度的3到4倍),地球上出現了有記錄以來最大的地磁風暴。世界各地都觀測到極光:礦工在落基山脈中醒來;報紙可以通過極光的光來閱讀;明亮的綠色窗簾出現在古巴、夏威夷、墨西哥和哥倫比亞。電報系統,即使在斷開連接的情況下,也會經歷它們自己的感應電流,引起震動,甚至引發火災。

圖註:2012年,太陽表面爆發了一次X級太陽耀斑:這一事件的亮度和總能量輸出仍遠低於1859年卡林頓事件,但如果它以正確(或錯誤)的性質撞擊地球,仍可能造成災難性的地磁風暴。

如果今天發生這樣的事件,我們擁有的電力和電子基礎設施將遭受毀滅性的影響,很容易造成數萬億美元的損失。問題是,當某些空間天氣事件穿透我們的磁層並與大氣相互作用時形成的地磁風暴,即使在完全斷開的電子電路中,也會導致大量電流流動。

太陽天文學的一個關鍵科學目標是了解太陽之間的相互作用、引起這些風暴的空間天氣以及對地球本身的影響是如何相互關聯的。這就是為什麼NSF的井上太陽望遠鏡的主要科學目標是在三個不同的層上測量太陽的磁場:

在光球層,

在色球中,

整個日冕。

憑藉其巨大的4米直徑和5台科學儀器(其中4台是專為測量太陽磁性而設計的分光偏振儀),它將前所未有地測量太陽表面和周圍的磁場。

測量太陽上各層的磁場是我們預測太空天氣最重要的事情,這對大多數人來說是個驚喜。在20世紀80年代末,每個人都在談論太陽耀斑是太空天氣的驅動力,而這也是大多數討論的焦點。然而,這只是故事的一小部分,因為有時太陽耀斑會在地球上引起壯觀的地磁風暴,但在其他時間,它們沒有影響。

我們朝著理解磁場作用邁出的第一步是在1995年,當時美國宇航局的SOHO天文台發射升空。它所看到的不僅僅是光球層發生的太陽耀斑,而是一種新的現象:日冕物質拋射(CMEs),它起源於比光球層離太陽更遠的地方。如果你看過太陽的藍色動畫,太陽圓盤被日冕儀擋住,你就會看到一張來自SOHO的圖片。

圖註:NASA的SOHO觀測到了幾次日冕物質拋射(CMEs),這得益於其阻擋太陽的日冕儀能夠實時成像動態日冕。在附近,這幅1998年的動畫還展示了彗星C/1998 J1。

當CMEs到達地球時,這就是導致太空天氣事件的原因。沒有CME的太陽耀斑不可能引起大的地磁風暴;SOHO教會我們的一件事是,地球磁場將非常好地保護我們免受正常太陽耀斑的影響,最多導致一次小的極光事件。

但是許多太陽耀斑會導致日冕物質拋射,特別是如果附近有日珥的話。日珥是居住在日冕中的高密度物質的集合,日珥通常發生在太陽磁場破裂導致物質噴射的地方。CMEs本身是定向的,只有那些最終撞擊地球的CMEs才使我們處於危險之中。當CMEs偏離側面時,就不必擔心了;但當我們從自己的角度看到一個環形CME時,那就是它們正朝著我們而來的時候。

圖註:從我們的角度來看,當日冕物質拋射向各個方向的延伸相對相等時,這一現象被稱為環狀CME,這表明它很可能正朝著我們的星球移動。

但是,即使是太陽耀斑引起的CMEs直接指向地球,也不一定會引起地磁風暴;還需要有另一塊拼圖正好排成一行:需要有正確的磁性連接。請記住,磁鐵通常有南北極,在那裡相似的極(北北或南南)排斥,但相反的極(南北或南北)吸引。

地球有自己的磁場,從遠處看,它有點像一塊排列在我們旋轉軸附近的條形磁鐵。如果CME期間噴射出的物質的磁場與地球磁場對準,太陽粒子將被排斥,地球上將不會發生地磁事件。但是如果磁場是反排列的,就像161年前臭名昭著的卡林頓事件一樣,你會看到一個壯觀的(也可能是危險的)事件,有著最壯觀的極光顯示。

圖註:當帶電粒子從太陽射向地球時,它們被地球磁場彎曲。然而,這些粒子中的一些並沒有被轉移開,而是沿著地球的兩極向下漏斗,在那裡它們可以與大氣碰撞並產生極光。只有當被噴射粒子的磁場的正確成分與地球磁場的方向相反時,這種情況才會發生。

自2000年以來,我們測量CME向地球運動的帶電粒子磁場的最佳工具,是在L1拉格朗日點(距離地球約1500000公里的一個點,位於向日面)上的大量衛星和天文台。不幸的是,該點已經是從太陽到地球的99%的路程了;從CMEs到達L1直到它到達地球,我們通常只有大約45分鐘的時間準備時間,這些CMEs可能產生地磁風暴,或者不會產生地磁風暴。

理想情況下,我們的下一代太陽觀測站將給我們帶來的是,我們將不得不知道,當發生這種潛在的災難性日冕物質拋射時,我們是否需要採取適當的緩解措施。我們可以做很多事情,但我們需要提前一個多小時通知才能做到。

圖註:地球-太陽系統有效潛力的等值圖。L1拉格朗日點對太陽觀測衛星很有用,因為它們將永遠停留在地球和太陽之間,但到那時,來自CME的粒子已經是其中99%的粒子。

我們能夠最好地減輕地球上空間天氣事件造成的損害的方法是讓電力公司切斷其電網中的電流,並斷開(和足夠接地)車站和變電站,從而使感應電流不會流入家庭、企業和工業建築。由於巨大規模電流,它們需要安全地逐漸下降,通常需要一天左右而不是一個小時來實施。

在CME到達地球之前,要知道它的磁場的適當成分是對準的還是反對準的,關鍵是要測量太陽上的磁場,而不是大約45分鐘的提前期,要做到這些,需要整整3天左右的時間,這通常需要從太陽噴射出來的日冕物質開始我們就應該檢測到。

井上太陽望遠鏡正是我們進行這些觀測所需的令人驚嘆的太陽測量磁強計。

圖註:陽光通過丹尼爾·K·井上太陽望遠鏡(DKIST)的開放式望遠鏡圓頂流入,擊中主鏡,有用的光子則指向安裝在望遠鏡其他地方的儀器。

實際上,我們試圖解決的關於太陽的每一個問題都是一個磁問題。如果我們想了解太陽光球層發生了什麼,它是由太陽內層的熱量驅動的,但它是根據磁場及其在整個太陽外層的分布而分布的。磁連通性從光球層延伸到色球層,再延伸到日冕,它提供熱量、風,並使日冕充滿能量。

在熾熱的日冕中產生的風在地球和太陽之間,實際上在太陽和太陽系的其餘部分之間產生了磁性聯繫,這與行星上的極光有關,甚至在太陽系的外部。無論我們如何從太陽的速度、運動學、能量、量熱等方面來測量物質的其他性質,磁性是理解太陽活動的關鍵。

圖註:太陽日冕環,如2005年美國宇航局過渡區和冠狀探測器(TRACE)衛星觀測到的太陽日冕環,沿著太陽磁場的路徑運行。當這些循環以正確的方式"斷裂"時,它們會發出日冕物質拋射,從而有可能影響地球。

為了了解將對地球產生什麼影響以及如何影響地球,我們不僅需要全面了解太陽本身發生了什麼,還需要全面了解太陽在各個層面上噴射出的粒子:

從光球層,

穿過色球,

到了日冕,

穿過星際空間,

通過L1拉格朗日點,

我們的星球上。

井上太陽望遠鏡、Parker太陽探測器、即將執行的太陽軌道器任務以及SOHO和SDO等L1衛星的組合,將使我們能夠前所未有地了解太陽和地球之間的磁性聯繫。國家科學基金會的井上太陽望遠鏡不僅測量了德州大小的太陽對流單元,其精度比以往任何時候都高,而且首次將這些單元之間的空間排列起來,是其中不可或缺的一部分。

圖註:這張帶注釋的剖面圖展示了丹尼爾·K·井上太陽望遠鏡的原理設計圖,包括主鏡、部件、儀器等。這是迄今為止建造的最先進的太陽觀測站。

​儘管最大的太陽耀斑很罕見,但它們確實有一定的規律性。其中一些產生日冕物質拋射;一些日冕物質拋射直接朝向地球;一些確實朝向地球的拋射正好具有產生壯觀極光和潛在災難性的磁暴的性質。直到現在,隨著新一代的太陽天文工具上線使用,我們終於有能力科學地為不可避免的災難做好準備。

幾十年來,我們僅僅靠運氣就避免了現代基礎設施的破壞。卡靈頓級別的事件,如果讓我們措手不及,肯定會在世界範圍內造成數萬億美元的損失。隨著這些新的以太陽物理為中心的天文台的出現,由美國國家科學基金會的丹尼爾·K·井上太陽望遠鏡領導,我們終於有機會知道日冕物質拋射什麼時候到來。


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