下一次大型太阳风暴可能摧毁电网——《华尔街日报》

某天清晨醒来，你发现停电了。试图用手机获取信息时，又发现网络中断。渐渐地你意识到，全美数百万人正遭遇同样困境——这场灾难将需要数月乃至数年的重建。

一场巨型太阳风暴袭击了地球。

虽然每年发生如此大规模风暴的概率很低，且其破坏程度将取决于诸多因素（包括当日地球磁场状态），但约翰霍普金斯大学应用物理实验室研究太阳物理的首席科学家伊恩·科恩表示：这类灾难终将降临。

为应对此威胁，由美国及国际政府机构组成的松散联盟，以及数百名相关科学家已着手研究太阳活动预测方法。越来越多科学家主张，人工智能将成为提前预警此类风暴的核心技术。

最危险的太阳风暴被称为日冕物质抛射——当太阳大气层中磁场的剧烈变化将巨大带电粒子团以超音速8000倍的速度抛射而出。这类现象频繁发生，但只有当其撞击地球时我们才会察觉。

这些巨大的粒子爆发之所以对我们的电网和电子设备如此危险，是因为当它们与地球相撞时，太阳磁场与地球磁场的相互作用会在地球输电线中感应出强大电流。如果你曾在科学课上通过来回移动磁铁使铜线上的灯泡发光，这就是同样的原理——只不过规模扩大到全球范围。太阳风暴能在输电线中感应出足以触发安全机制的电流，甚至严重损坏我们的电力配送基础设施部件。

2018年，技术人员在佛罗里达州泰特斯维尔肯尼迪航天中心附近检修NASA帕克太阳探测器。图片来源：Leif Heimbold/NASA虽然承载互联网数据的海底光缆本身不传输电力，但其内部装有电信号中继器。这些中继器会在光信号传输过程中进行增强。若中继器失效，整条光缆将停止运作。

太阳风暴还会通过引发所谓"杀手电子"激增，威胁地球高轨道卫星（如构成GPS系统的卫星），导致设备损坏甚至完全失效。在近地轨道，太阳风暴会加热大气层使其膨胀，增加空气阻力，致使部分低轨道卫星坠毁。2022年2月就曾因此导致40颗星链卫星损毁。

太阳风暴已多次来袭。早在1859年，那场如今被称为"卡林顿事件"的传奇风暴爆发时，人类尚未建立起依赖电子设备的现代文明。这场风暴导致极光南至加勒比海地区，电报线路火花四溅，部分电报站起火，北半球电报网络局部瘫痪。

关于强太阳风暴袭击地球的频率，学界观点不一。科罗拉多大学博尔德分校教授德洛雷斯·克尼普的研究表明，能产生与卡林顿事件同等纬度可见极光的太阳风暴约每60年发生一次。而科恩教授则认为，每150年左右才会出现一次重大太阳风暴。这些差异部分源于我们对"卡林顿级"太阳风暴缺乏正式且精确的定义。

但即便不是最高强度的风暴，也足以对基础设施造成严重破坏。1972年一场太阳风暴曾引爆越南海域约4000枚磁敏水雷，同时短暂干扰了美国国防部卫星系统，使其误判苏联引爆了核弹。1989年的风暴则导致魁北克省停电长达9小时。

我们正进入太阳活动高峰期——2024年中期将达到其11年周期的顶点，这已被证实比过去三十年的太阳周期更为剧烈。正如地球有飓风季，科恩表示我们正在进入"太阳风暴季"。谈及下一次大风暴，“虽不至于让我们退回石器时代，但确实可能发生重大事件”，他补充道，“我们必须做好准备。”

目前，没有任何预警系统能为我们提供超过几小时的破坏性太阳风暴预警。若风暴移动速度足够快，预警时间可能短至15分钟。最有效的监测设备——美国2015年发射的绕日卫星距离地球比太阳近得多，因此当高速风暴经过其轨道时，我们仅能获得一小时或更短的预警时间。

欧洲航天局提出了一项新系统，通过将名为"警戒"（Vigil）的卫星送入绕日轨道（其与地球的距离大致等于日地距离），以提供更早预警。该系统有望为即将到来的太阳风暴提供长达五小时的预警——这为采取最关键的保护电子设备的措施（即关闭所有设备）争取了足够时间。

但若能通过分析现有数据来优化预测呢？这正是前沿开发实验室（由NASA、美国地质调查局和美国能源部组成的公私合作机构）科学家最新公布的AI驱动模型的核心构想。该模型运用深度学习技术分析太阳风（通常是从太阳向外流动并穿越太阳系至冥王星轨道之外的稳定粒子流）的运动规律。

研究人员表示，通过利用对太阳风的观测数据，该模型能够预测由绕日卫星监测到的即将到来的太阳风暴在地球任意位置引发的“地磁扰动”。这一模型可预判太阳风暴抵达时地球磁场的磁通量变化幅度，进而推算出电力线路及海底互联网电缆中感应电流的强度。

科罗拉多大学科学家恩里科·坎波雷亚（隶属于负责太空天气预测的政府机构——空间天气预报中心）指出，关于如何运用人工智能更精准预测太阳风暴影响的研究仍处于起步状态，部分原因在于空间天气这一学科领域本身尚属新兴。

美国国家太阳天文台天文学家汤姆·沙德表示，构建基于人工智能的空间天气预测系统需要持续获取大量高时空分辨率优质数据。而现有太阳观测设备面临挑战——当前多数太阳监测卫星和地面传感器属于科学实验装置，并非为作为预警系统组成部分而设计的“业务化”设备。

9月18日加拿大阿尔伯塔省福克斯克里克上空出现的极光（亦称北极光），实为一次日冕物质抛射的产物。图片来源：乔·马伊科持续观测太阳以收集构建各类预测模型所需海量数据的时代即将到来。沙德博士工作的井上建太阳望远镜坐落在形成毛伊岛主体的哈雷阿卡拉活盾状火山上，这座2021年投入运行的望远镜现已成为全球最强大的太阳持续观测设备。同年，美国宇航局的帕克太阳探测器成功穿越了日冕层——这个百万摄氏度高温的炼狱正是太阳风暴的诞生地。

最新研究显示，帕克探测器一年前曾穿越日冕物质抛射事件。数据分析表明其剧烈程度堪比1859年卡林顿事件，所幸这次爆发发生在太阳背对地球的一侧。

更多关键数据将由欧空局的"警戒号"航天器、NASA即将接替老化太阳观测系统的新卫星，以及地面项目如计划在科罗拉多州博尔德建设的日冕太阳磁场观测站共同收集。

未来基于人工智能的太阳气象预警系统的雏形已投入运行。2022年12月上线的DstLive系统运用机器学习技术，将地球磁场状态与太阳风数据转化为全球统一的DST指数——可将其视为太阳风暴的"里氏震级"。该指数能提前1至6小时预测太阳风暴对地球的影响强度。

遗憾的是，我们可能只有亲身经历一场重大太阳风暴后，才能真正了解这类系统的实际效用。但众多致力于深入研究此类风暴的科学家正共同努力，试图让全世界相信未雨绸缪最符合我们的利益，而早期预警正是其中至关重要的一环。

为此，科恩博士所属的应用物理实验室将于2024年初举办一场"桌面演习"，模拟强太阳风暴袭击地球的场景。该演习将汇聚政府机构与外部组织，评估各方应对此类灾难的能力。这与将军们通过兵棋推演判断台海战役胜负的演练如出一辙。

从某些方面来看，这场演习的利害关系可能更为重大。

联系克里斯托弗·米姆斯请致信[email protected]

本文发表于2023年10月12日印刷版，标题为《太阳风暴或致电网瘫痪 早期预警有望避免混乱》