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能否揣测到太阳的喜怒哀乐?实时模拟太阳风暴

科学家研究了如何模拟太阳风暴,以便能够更准确地预测它们对地球的影响,研究为实时模拟太阳风暴提供了一个更准确的模型。

科学家研究了如何模拟太阳风暴,以便能够更准确地预测它们对地球的影响,研究为实时模拟太阳风暴提供了一个更准确的模型。太阳是一颗极其活跃的恒星,它以许多不同的方式影响着太阳系的行星,最明显的效果之一是极光。这些极光是由太阳风引起,即太阳发出稳定的质子和电子流,它与地球磁场相互作用,产生五颜六色的光效应。在正常情况下,地球磁场在很大程度上保护地球不受太阳风的影响。

但有时,太阳上会爆发巨大的耀斑,在相对较短的时间内将大量热物质抛入太空。几天后,这种物质以太阳风暴的形式撞击地球,可能会损坏卫星,扰乱GPS导航,甚至导致停电。在很大程度上,这些事件究竟涉及到什么仍然是未知的,这就是为什么几个太空探测器在船上携带了记录来自外层空间太阳风暴的仪器。由奥地利科学院格拉茨空间研究所的天体物理学家Christian M?stl领导的一个研究小组,正在实施由奥地利科学基金FWF资助的一系列项目。

椭圆形的太阳风暴?

以实时模拟太阳风暴及其对地球的影响,从而能够更精确地预测此类极端事件。在2019年完成的一个项目中,由莫斯特尔领导的一个团队,开发了一个特别详细的太阳风暴传播模型。目标是明确的,想要预测太阳风暴,有几个太空探测器可以跟踪离地球一定距离的太阳风暴。在20世纪90年代,SOHO探测器是第一个记录下来的,今天还有帕克太阳探测器和另外两个名为STEREO的探测器。所有这些探测器都在黄道面内或黄道面附近移动,黄道面是行星绕太阳运行的平面。

目前的探测器无法确定飞船外的太阳风暴是什么样子,这些模型需要在尽可能现实的假设基础上工作,较旧的模型假定为点状或圆形结构,但这是不切实际的。在之前的项目中,用圆弧代替了圆。在新项目中,研究人员现在采取了下一步,使用了椭圆形。为了进一步提高精确度,研究团队在模型中添加了一些效果。太阳风的速度通常比太阳风暴慢,会减缓它们的速度。太阳风暴对太阳风作用强烈。新模型首次将STEREO的广角观测与太阳风产生的阻力效应结合起来。

实时模拟

该模型的独特之处在于,一旦有合适的数据,就能产生实时预测。正如项目团队成员坦贾·阿莫斯托弗(Tanja Amerstorfer)指出的那样:这样的数据可能会在2020年代中期由欧空局预定的卫星任务提供。这不是要追溯地再现效果,而是要有一个我们可以实时使用的工具。一般来说,太阳风暴需要四五天才能到达地球,虽然创纪录的速度是14小时,但这些时间足够建立早期预警系统。然而,目前还没有官方机构来预测太阳风暴何时会袭击地球。

研究人员表示有一个网站,像我们这样的研究小组,可以在那里就太阳风暴抵达的时间预测。2011年参与并获胜,但也非常明确地表示,这不是一个严谨的预警系统。因此,仍然缺乏一个有效的早期预警系统,历史上有过几次太阳风暴,在今天会造成巨大的破坏。上一次这类重大事件是1989年在魁北克发生的,当时涉及停电。在1859年和1921年,更大的太阳风暴袭击了地球。当时,在中纬度地区甚至可以看到极光,例如在罗马。

磁场是个问题

那次事件损坏了电报线路,在今天的基础设施上,这样的事件将产生毁灭性影响。美国和英国已经将这种情况纳入了国家灾难计划。2012年,一场规模相当于1859年事件的太阳风暴险些与地球擦肩而过。在建立可靠的预警系统之前,还有很多工作要做,目前估计抵达时间的误差最多在10小时左右。最大的悬而未决的问题是:太阳风暴中的磁场,这些磁场是以大而弯曲所谓“通量管”的形式出现。但只能假设这些管中的磁场究竟是如何“配置”的。

了解太阳风暴中磁场的性质很重要,这与风暴的大小一样重要:磁场的方向就像一个开关。如果风暴的磁场与地球磁场方向相反,它将向地球磁场传递比相同方向磁场多得多的能量。速度也起着重要作用:短暂、快速的风暴比较慢、较长的风暴有更强影响。此外,太阳风暴通常不是作为单个事件发生的,而是可能立即相继发生,并相互作用。

模拟整个效果链

在随后的奥地利科学基金会(FWF)项目中,格拉茨研究小组现在正在研究问题的不同方面,以便建立整个模拟链。研究人员想把所有的东西都放在一个模型里,从太阳风暴的爆发到对地球、极光和地面洋流的影响,这就是我们研究的目标。


博科园|研究/来自:奥地利科学基金会

参考期刊《自然通讯》《Space Weather》

DOI: 10.1038/ncomms8135

DOI: 10.1029/2017SW001786

博科园|科学、科技、科研、科普

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