面对太阳灾害的地球保卫战_风闻

原创：牧夫天文

综合编译：毛明远

来源：www.forbes.com宇宙爆炸专栏，作者：Ethan Siegel

校对：牧夫天文校对组

后期：库特莉亚芙卡，李子琦

责任编辑：毛明远

封面图片

美国国家科学基金会(NSF)的DKIST太阳望远镜“开光”

Credit: NATIONAL SOLAR OBSERVATORY / AURA / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION / INOUYE SOLAR TELESCOPE

2019年12月12日，世界上最强大的太阳天文台“开光”了，它就是美国国家科学基金会(NSF)位于夏威夷的丹尼尔井上太阳望远镜(Daniel K. Inouye Solar Telescope, 简称DKIST，为纪念已故夏威夷州参议员Daniel Ken Inouye命名)。这个主镜4米的特殊偏心望远镜可以分辨太阳表面尺度为30km的结构。封面图片展示了DKIST在2020年1月29日的观测情况，可以看到闪耀的黄金颗粒状太阳结构，每个颗粒大概相当于青海大小。这个太阳望远镜远不止提供太阳高清影像这么简单，它是科学家面对太阳灾害保卫地球的重要科研设备之一，它能够帮助我们避免太阳耀斑事件可能造成的数万亿美元损失。

2019年日全食由超过2000张照片合成而来的日冕图片

Credit: NICOLAS LEFAUDEUX (2019), HDR-ASTROPHOTOGRAPHY.COM

回顾历史，早前科学家观测到的太阳现象不外乎：阳光、太阳黑子以及日全食期间的日冕。但到了1859年，太阳天文学家理查德·卡林顿(Richard Carrington)观测到一个非同寻常的太阳现象——他在观察一个较大的不规则黑子时发现一个突发的“白光闪耀”，它划过太阳黑子并持续了约5分钟时间。这就是历史上第一次观测到的太阳耀斑。18小时后地球上探测到有历史记载的最强大磁暴。与此同时，大规模的极光出现了，落基山脉的工人看到了极光；非常明亮的极光下甚至可以看报；甚至古巴、夏威夷、墨西哥和哥伦比亚的人们都可以看到明亮的绿色极光。电报系统，甚至是处于关闭状态，也产生电流，造成火花。

2012年发生的耀斑虽然远弱于1859年的耀斑事件，但仍可能给地球造成灾难性地磁暴。

Credit: NASA/SOLAR DYNAMICS OBSERVATORY (SDO) VIA GETTY IMAGES

试想一下，如果1859年的太阳耀斑事件发生在高度电气化的现在，将可能造成数万亿美元的损失。原因就来自耀斑引发的磁暴，直接突破地球磁层，与大气作用，引发强大的电流，甚至断开连接的电路都会出现强大电流。因此，太阳物理学的一个关键任务就是研究太阳及空间天气事件造成的磁暴及其危害。DKIST可以观测太阳的光球层、色球层和日冕的磁场情况，在4米直径主镜和5个科研设备(其中4个是分光偏振计)的辅助下，可以测量太阳附近的磁场。

读者可能会有疑问，为什么测量太阳磁场能够预测空间天气？二十世纪80年代后期，很多人都在谈论太阳耀斑，他们认为它是空间天气的主导因素。事实上，太空天气并不那么简单，有时太阳耀斑会显著地影响地磁，但有时并不会。直到1995年，美国宇航局SOHO探测器观测到除了发生在光球层的耀斑，还观测到一种新的现象——日冕物质抛射(CMEs)，它并不是来自光球层。正如以下动图展示的由SOHO拍摄的日冕物质抛射。

1998年，美国宇航局SOHO探测器日冕仪下拍摄的太阳日冕物质抛射，它还凑巧捕捉到一颗彗星。

Credit: ESA / NASA / SOHO

当日冕物质抛射到达地球，将带来显著的太空天气事件。而不带有日冕物质抛射的太阳耀斑并不会产生强烈的磁暴，地球的磁场足以抵御这一类太阳耀斑事件。这是SOHO探测器告诉我们的！但是很多耀斑伴有日冕物质抛射，特别是附近有日珥的情况。日珥是日冕中物质密集的区域，而典型的日冕物质抛射发生在太阳磁场破坏后的物质喷发时，这就是对地球带来危害的日冕物质抛射。如果它们正朝向地球，那危害是非常大的。

如果像上图这样SOHO捕捉到的日冕物质抛射，我们称之为环状日冕抛射，它很有可能就正对着我们而来。

Credit: ESA / NASA / SOHO

即使伴有日冕物质抛射的太阳耀斑发生了，它朝向地球袭来，但地球不一定发生磁暴。地球磁场还是有可能抵御它们的，这取决于日冕物质抛射与地磁场的作用关系。地球磁场在地磁南北极发出的无形磁力线下保护着地球。就像我们中学试验中看到的铁粉中小磁条。如果日冕物质抛射过来与地球磁场相斥，地球磁场就可以抵御它，但反之就像前文中描述的161年前的事件，日冕物质抛射突破了屏障产生显著的地磁暴。

来自太阳的带电粒子在地磁场的作用下向地磁两极偏移，带电物质进入大气层，与大气作用产生极光。

Credit: NASA

二十一世纪初，我们探测日冕物质抛射的带电物质磁场使用的探测器位于拉格朗日点L1，如下图L1位于地球朝向太阳的150万公里处，这个位置距离地球太近而距离太阳太远(约1:99)，因此当日冕物质到达L1后仅再需要45分钟就到达地球，这个预警时间对人们来说是不足的。这就是我们要建造更有效的探测器和望远镜来尽可能早地掌握太阳活动的原因。

拉格朗日点L1是太阳探测的理想位置，但它距离地球太近，给地球的预警时间不足。

Credit: NASA

如何降低磁暴的破坏？最简单的方法是停止供电，并且尽可能切断线路的各个节点。试想一下，由于电网中存在巨大的电流，如果要逐级全部切断1个小时时间是不够的。这就是DKIST太阳望远镜的强大之处，它可以直接掌握太阳的磁场情况，提前3天做出预警。

工作中的DKIST太阳望远镜，太阳光直接通过开放的圆顶进入主镜。

Credit: NSO/NSF/AURA

太阳磁场就是太阳活动的关键。太阳光球层的活动源于太阳内部源源不断地能量供应、受制于磁场而形成我们观测到的物质分布状态。

2005年美国宇航局过渡区和日冕探测器(TRACE)拍摄的冕环，它在太阳磁场作用下运动，当冕环“破裂”将发生日冕物质抛射。

Credit: NASA / TRACE

为了更好地掌握太阳对地球的影响，我们需要充分了解以下各层级发射出粒子的行为：

来自光球层；

通过色球层；

到达日冕；

通过太阳到地球的空间；

通过拉格朗日点L1；

到达地球。

科学家通过联合DKIST太阳望远镜、帕克太阳探针(PSP)、昨日发射的太阳轨道器SO以及拉格朗日点L1探测器SOHO和SDO等，我们将迎来太阳-地球磁场相互作用研究的新纪元。NSF的DKIST太阳望远镜，不仅能更好地探测米粒组织活动，还有助于研究米粒组织之间间隙中的物理。

尽管巨大的太阳耀斑并不常见，但伴随日冕物质抛射的强大太阳耀斑是地球人类的巨大潜在威胁，得益于太阳物理和空间天气学的长足进步，我们防范它们的能力大大提升了！

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

DKIST太阳望远镜的结构

Credit: NSF/AURA/NATIONAL SOLAR OBSERVATORY