海外文摘——太阳的另一面




太阳的另一面
Stuart Clark　文　Shea　译
	太阳会向地球喷射粒子流，而且些带电粒子会破坏人造卫星。目前预测这些太阳风暴还是很困难的，但是一些物理学家相信在几年之内我们将面临最大规模的太阳暴发。　　万圣节（10月31日）是一个充满奇异现象和恐怖事件的节日。但是无论按照哪个标准，发生在2003年10月底的事情都是非比寻常的。全球范围内的通讯受到干扰，美国宇航局（NASA）的半数卫星发生故障，瑞典有5万人的电力供应中断，同时全球民航业损失了数百万美元。　　这些事件之间的联系并不是超自然现象，而是我们再熟悉不过的太阳。当我们的太阳处于以11年为周期的活跃期时，它就会造成这些混乱。而按照一些预测，发生在2003年10月份的事件和未来5年或者6年将要发生的比起来仅仅是小巫见大巫。 [图片说明]：暴发：太阳磁场造成了每11年太阳黑子和耀斑会出现峰值。　　“下一个周期的太阳活动可能会导致前所未见的问题，”美国国家大气研究中心（NCAR）的物理学家彼得·吉尔曼（Peter Gilman）警告说，“而且受到影响的并不只有卫星和通讯。”一些科学家认为太阳活动会影响地球大气层——特别是影响云的形成。这一观点吸引了全球变暖怀疑论者的目光。他们认为，和人类活动相比，太阳活动对改变气候起到了更大的作用。　　太阳11年的周期是由它的磁场所驱动的，它产生的带电粒子流则被称为太阳风。在太阳活动周的平静阶段，太阳活动很少，太阳风也很均匀。但是在“太阳活动极大期”，黑子——太阳表面磁场纽结形成的暗斑——会在太阳表面出现。在黑子上方暴发的太阳耀斑会在太阳风中形成湍流进而向宇宙空间喷射带电粒子流。　　通过统计黑子的个数发现最近一个太阳活动周是比较缓和的。2003年10月，也就是在周期峰值之后3年，出现了两个巨大的黑子，每一个的直径都超过了地球直径的10倍。这两个黑子几乎一直处于喷发的状态，喷射出了数十亿顿的带电粒子。 [图片说明]：太阳黑子随年份的变化。　　当这些粒子撞入地球大气层的时候，就造成了上面提到的问题。除此之外，全球海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断，以及全球定位系统的精度降低。同时NASA卫星出现了故障，日本的一颗气象卫星也失去了和地面的联系。由于飞机改变航线降低高度导致航线变得拥挤，同时也消耗了更多的燃油，使得航空公司的成本大幅度增加。幸免遇难　　随着太阳的自转，黑子会对准或者偏离地球。11月4日，当第二个黑子即将在日面边缘消失的时候，它又产生了一次剧烈的暴发。太阳物理学家计算显示这是有史以来最大的太阳耀斑之一。全凭运气这次暴发是朝向深空的，地球仅仅受到了它边缘的影响。看到这次暴发的人都会长出一口气，而且思考如果这次暴发是朝向地球的话会造成什么样的破坏？如果对下一个太阳活动周的预测是正确的话，也许我们会找到这个问题的回答。　　预报这类太阳暴发的时间和强度显然是十分重要的。但是这受制于目前科学家对太阳内部是如何运转的知之甚少。因此为了应对下一个太阳活动周的开始，针对太阳的最大规模的协作研究将于明年启动。明年作为国际太阳物理年（IHY），它的用意就是希望让世人了解太阳活动可能会影响地球气候，并且希望能联合不同领域的科学家一起来研究太阳活动。　　现在，太阳活动正处于极小期，绝大多数的预测认为5年或者6年后的下一个太阳极大会比较弱。但是最近第一个基于完整太阳物理模型的预报却有所不同。　　这个预报是由NCAR的茂苏米·迪克帕提（Mausumi Dikpati）和她的的小组完成的。他们发展了一套数值模拟方案，这个方案综合了太阳内部磁场发电机和太阳表面附近等离子体运动理论。由此他们得到了一个令人沮丧的结论。“我们预计太阳黑子和太阳活动会比在这个太阳活动周结束时增加30%-50%，”同时也是这个小组成员的吉尔曼说。　　上一次太阳活动达到这个程度的时候是在1958年，当时地球轨道上几乎没有航天器。现在的情况就完全不同了，地球周围有数千颗处于工作状态的卫星。　　人造卫星管理控制人员依靠太阳活动的预报来估计卫星的寿命。太阳风撞击地球上层稀薄的大气，造成大气层密度增加和更多的阻尼。吉尔曼估计太阳活动增加30%会使得300千米处的大气密度增加几乎一倍，这会影响低轨卫星。　　2012年空间任务的企划也许会希望把航天器送入更高的轨道，或者干脆接受航天器寿命缩短这个现实。即使是在800千米的高度，那里虽然没有大气阻尼的危险，但是却存在着另一种威胁。太阳风会造成带电粒子的累积，这会使得仪器设备短路和烧毁。在2003年的暴发中日本的卫星可能就是这样丢失的。当轨道上有越来越多的卫星停止工作之后，管理人员将不得不为“太空垃圾”而担忧。太阳风会改变大气阻尼，进而改变这些太空垃圾的轨道，这会直接威胁到工作中的卫星。　　太阳对航天器的影响仅仅是对太阳认识的一个方面。太阳活动周对我们气候的可能影响，尤其是对云的形成的影响，正在受到越来越多的关注。1997年，丹麦气象研究所的两个气象学家亨利克·斯万斯麦克（Henrik Svensmark）和艾吉尔·弗里斯-克里斯登森（Eigil Friis-Christensen）分析了1979年到1992年的卫星天气资料，提出了太阳活动和云的形成之间的联系。他们发现，在太阳极小时，地球云量较太阳极大时多了3%。他们同时注意到在太阳极大时来自深空的宇宙线入射量会上升25%。这两个科学家称他们的发现是“太阳-气候关系中缺失的一环”。　　鼓吹人类活动并不导致全球变暖的气候怀疑论者紧紧的抓住了这个结果。他们声称太阳对气候变化负主要责任。去年两个俄罗斯的怀疑论者甚至出资1万美元打赌，基于下个太阳活动周会变弱的假设，2012-2017年全球平均气温将会下降。　　但是绝大多数太阳-气候关联的支持者还是很谨慎的。“我们并不认为所有的云都是太阳活动而形成的，而是仅仅认为云的形成过程会受到太阳活动的影响，”卢瑟福·阿普顿实验室的物理学家罗伯特·宾汉（Robert Binghan）说。他是“CLOUD”国际实验小组的成员。“CLOUD”实验将使用欧洲核子中心的加速器轰击气体来模拟地球大气，看看是不是会有“云”形成。全球网络　　为了更直接的利用下一个太阳活动周，联合国领导了一个计划将在191个成员国中安装无线电接收机。这是第一次在全球范围内监测太阳风连续撞击对上层大气的影响。尽管从定义上讲太空始于大约地面高度100千米处，但是由于难以研究科学家对这一区域了解很少。　　联合国的计划只是国际太阳物理年诸多计划中的一个。尽管还没有获得研究预算，但是已经开始征集科学提案了，力争使得不同领域的科学家都能使用太阳观测设备和观测数据。“我们正在相关学会征集提案，”国际太阳物理年英国协调人、卢瑟福研究所的里查德·哈里森（Richard Harrison）说。　　毫无疑问，2007年会有有史以来最大规模的空间计划来研究日-地间相互作用。十几个监测太阳活动的探测器已经在轨工作了，另外三个也会在今年发射，其中包括目前最先进的太阳探测器。NASA的日地关系天文台（STEREO）包含有两个处于地球轨道上的、几乎完全相同的探测器，它们将从不同的位置来观测太阳，一个位于地球的前方，另一个位于地球的后方。这使得它们可以获得太阳的立体影像，而且可以追踪太阳粒子喷射的三维结构。由此，STEREO可以事先提供暴发的速度和方向的信息。 [图片说明]：NASA的日地关系天文台（STEREO）。　　这些信息可以帮助卫星管理员应对即将发生的危险，但是为了更好的规划，卫星管理人员需要太阳活动的长期预报。一些科学家，例如哈里森，相信由于我们对太阳的认识还不足以做有意义的长期预报。以前的预报主要倚赖于观测未来太阳活动的“征兆”，缺乏对其背后物理机制的考虑。　　例如，在20世纪70年代，天文学家发现太阳活动峰值之后在太阳极区的磁场累积与下一个太阳活动周的的强度有关联。就在去年，这个方法的创始人之一赖夫·斯伐加德（Leif Svalgaard）使用太阳极区的磁场预言下一个太阳活动周将是一个世纪以来最弱的一个。其他的“征兆”方法，例如太阳10.7厘米射电辐射流量以及太阳极区亮斑的数量，也预报下一个太阳活动周会比较弱。　　唯一一个使用“征兆”方法预报强太阳活动周的是马歇尔航天中心的太阳物理学家大卫·海瑟韦（David Hathway）和罗伯特·威尔森（Robert Wilson）。2004年，他们注意到太阳活动周的强度和两个太阳活动周前的黑子数有相关性。按照这个理论，他们预言2012年将出现强太阳活动。迪克帕提的模拟和这个预报相一致，更重要的是她的模型是基于物理机制的。　　在过去的十年里，物理学家发现了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，并且在极区积聚，之后它们会向赤道回流。 [图片说明]：太阳是怎样利用等离子“传送带”来使得黑子“复活”的。　　迪克帕提的工作综合了可以追溯到1900年的黑子观测数据以及太阳磁场发电机和传送带的计算机模拟。在这个模拟中，传送带会清理老黑子，使它们在极区沉没。在深层回流的过程中，太阳的自转会给老磁场注入新的活力，产生新的黑子和太阳活动区。　　这是唯一一个基于物理模型的预报，也正是因为如此它受到了太阳物理学家的严正关注。“迪克帕提模型背后的件事物理背景是其他预报手段无法超越的障碍，”海瑟韦说。太阳的记忆　　迪克帕提预报的关键是太阳传送带运转的速度。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，这个回流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20年，”迪克帕提说。因此在她的模型中，太阳活动不仅仅倚赖于前一个太阳活动周还和更早的太阳活动周有关。与之形成对比的是，绝大多数的“征兆”预报方法都假设下一个太阳活动周只和上一个有关。尽管不同意迪克帕提的结论，但是斯伐加德仍然说：“对于科学而言预报出现分歧是好事。” 　　太阳物理学家正翘首以待，想知道这个基于物理的预报是否正确。也许他们不必等到6年之后的太阳活动峰年就能知道结果了。所有的方法预言的仅仅是平均黑子数，但是观测资料显示大的太阳活动周总是开始得比较早而且黑子数上升很快。这意味着，大太阳活动周的征兆在未来3-4年就能显现出来。　　“我现在只有让大自然来告诉我们谁是正确的，”斯伐加德说。但是迪克帕提和她的小组也正在改进他们的模型，看看是不是会出现峰年提前到来这一现象。不管怎样，太阳始终是备受瞩目的——从空间任务规划人员到气候怀疑论者——他们正追寻着太阳风吹拂的方式。
出自：Nature 发布日期：2006-05-25

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