但有時(shí),太陽上會(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自外層空間太陽風(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。
橢圓形的太陽風(fēng)暴?
以實(shí)時(shí)模擬太陽風(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),開發(fā)了一個(gè)特別詳細(xì)的太陽風(fēng)暴傳播模型。目標(biāo)是明確的,想要預(yù)測(cè)太陽風(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)記錄下來的,今天還有帕克太陽探測(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運(yùn)行的平面。
目前的探測(cè)器無法確定飛船外的太陽風(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。太陽風(fēng)的速度通常比太陽風(fēng)暴慢,會(huì)減緩它們的速度。太陽風(fēng)暴對(duì)太陽風(fēng)作用強(qiáng)烈。新模型首次將STEREO的廣角觀測(cè)與太陽風(fēng)產(chǎn)生的阻力效應(yīng)結(jié)合起來。
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。一般來說,太陽風(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,目前還沒有官方機(jī)構(gòu)來預(yù)測(cè)太陽風(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),歷史上有過幾次太陽風(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。美國和英國已經(jīng)將這種情況納入了國家災(zāi)難計(jì)劃。2012年,一場(chǎng)規(guī)模相當(dāng)于1859年事件的太陽風(fēng)暴險(xiǎn)些與地球擦肩而過。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題是:太陽風(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
博科園|科學(xué)、科技、科研、科普
1.《關(guān)于2012太陽風(fēng)暴我想說實(shí)時(shí)模擬太陽風(fēng)暴,揣測(cè)太陽的喜怒哀樂,這些就是科學(xué)家干的好事》援引自互聯(lián)網(wǎng),旨在傳遞更多網(wǎng)絡(luò)信息知識(shí),僅代表作者本人觀點(diǎn),與本網(wǎng)站無關(guān),侵刪請(qǐng)聯(lián)系頁腳下方聯(lián)系方式。
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