http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-07-08
揭秘太阳超级风暴：可能导致灾难性停电
英国曾有一位名叫理查德·卡林顿的酿酒商，他同时也是一位业余天文学家。1859年9月1日这一天，33岁的他爬上楼梯，进入他位于伦敦附近的私人天文台，打开圆顶天窗，然后调整望远镜，将直径28厘米的太阳图像投射在一幅幕布上——在天气晴好的早晨，这样的天文观测是他的习惯。当他在纸上描摹太阳黑子的活动轨迹时，突然看到在一个大的黑子群中出现了“两块非常明亮的白色光斑”。与此同时，在伦敦基尤天文台，磁力计上用丝线悬挂的磁针开始剧烈跳动。
第二天黎明之前，壮观的极光照亮了天空，夏威夷和巴拿马以北的人都看得见。在落基山脉露营的旅者误以为日出，于是起床准备早餐。
图为2011年9月22日 卫星拍到了位于太阳边缘的等离子环的侧影，其巨大程度足以容纳许多个地球；上方还有一处形如波涛的日珥，正把带电的太阳粒子甩向太空。科学家们监测着太阳制造的振动波，借此探知其内部的一些活跃区--在它们冲出太阳表面之前。
太阳超级风暴是一种巨大的电磁爆发现象，可将数十亿吨的带电粒子喷向地球，卡林顿观测到的耀斑就是一场太阳超级风暴的先兆。当不可见的粒子巨浪与地球磁场发生撞击时，引起电报线路中电流激增，几处电报通讯站因此运行中断，而其他地方的电报员却发现，他们可以切断电报机的电池供电，单靠地磁感应的电流继续工作。波士顿的一名电报员向缅因州波特兰市的同行发电报说：
“现在我们用的完全是北极光产生的电流，你那边接收效果怎么样？”
“比用电池好得多。”波特兰方面回答道。
图为：2012年1月24日 瑞典北部的克瓦尔岛上，一大片极光在索玛勒于桥的上空摇曳；此次激烈的太阳活动持续了一周。地球大气层中的某些类气体被太阳射出的带电粒子击中时，会像霓虹灯里的氖气一样发光。极光在南北两极地区最为常见，遇上强劲的太阳风暴时，也会出现在纬度较低的地方。
换做是今天的通信、电力系统的操作员，绝不会那么愉快乐观。迄今为止再没有发生过威力与1859年相当的太阳超级风暴，所以我们很难计算，在如今这个电路四通八达的世界中，如果来一场规模近似的太阳风暴，破坏将达到什么程度。在这个问题上，加拿大魁北克省1989年3月13日的停电事故可以作为参照。当时，一次强度约为“卡林顿级”三分之二的太阳风暴，在不到两分钟的时间里，致使六百多万用户的供电网瘫痪。如果是一场卡林顿级的风暴，其毁坏的变压器会比电力公司的备用变压器还多，而制造、安装新变压器需要数月时间，在这期间，有上百万人得不到照明、饮用水、污水处理、供热、空调、燃料、电话以及无法常温保质的食品和药物。美国国家科学院最近的一项报告中估计，如上所述的太阳风暴可造成的经济损失相当于二十场卡特里娜级别的飓风，仅灾后第一年就达一到两万亿美元，而受损的各项事业需要十年才能恢复。
图为：2011年8月9日 右边的耀斑在美国国家海洋与大气局的分级系统中达到最大的X级，信号之强使得太阳动力学观测台的一个传感器超出负荷。太阳活动周期预计会在2013年进入高峰，可能将有更多耀斑和日冕物质抛射朝向地球发生。如果受到一次大型抛射的正面侵袭，供电线路便可能瘫痪。
洛克希德·马丁公司太阳和天体物理学实验室（位于加利福尼亚州帕洛阿尔托）的卡雷尔·斯赫雷弗无奈地表示：“我们至多只能提前几天预测到太阳的活动。”预计太阳活动的高峰期将从今年开始，因此各地的太空天气监测中心纷纷增加了工作人员，希望事态朝最好的方向发展。斯赫雷弗说：“我们正在尽量了解太空天气对社会有何影响及其产生危害的程度。一旦发现重大的威胁，我们就有义务做好应对的准备，否则后果将不堪设想。”
我们对太阳再熟悉不过了——每个晴朗的日子都能看到，但它也至为陌生。透过太阳望远镜看去，我们司空见惯的金色圆盘成了一个变动不居的奇境，大得可以吞掉行星的日珥如同发光水母般跃入黑色的太空，蜿蜒盘旋数小时或数天，终究仍回到太阳表面，仿佛被某种看不见的力量牵绊着。
图为：2011年6月7日 太阳动力观测台卫星拍摄到一次日冕物质抛射(图中右下方的亮点)，并使用不同的光线波长来表示太阳各层大气的温度。相对较凉的色球层只有5000摄氏度，但其上方笼罩的日冕则急剧升温至100万度。
正是如此。太阳的构成不是固体、液体，也不是气体，而是等离子体，即“物质的第四态”：原子在高温下被剥夺了电子，直至质子裸露出来。这些带电粒子使太阳成为优秀的导体，其导电性能远超铜线。太阳还聚满了磁场，其中大部分“埋藏”于太阳巨大的内部，但仍有一些直径与地球相当的磁场管道会以黑子的形式出现在太阳表面。这种磁场性质决定着太阳大气内的粒子运动轨迹，并驱动太阳风，每秒钟喷出上百万吨的等离子体，射速达每秒700公里。
图为：2011年6月7日 太阳动力观测台卫星拍摄到一次日冕物质抛射（图中右下方的亮点），并使用不同的光线波长来表示太阳各层大气的温度。相对较凉的色球层只有5000摄氏度，但其上方笼罩的日冕则急剧升温至100万度。
所有这些活动产生的原因，就在于太阳这颗寻常恒星所具有的复杂非凡的构造。太阳核心是一个密度为黄金的六倍、温度高达1500万摄氏度的等离子球体，每秒钟有7亿吨质子聚变为氦核，所释放的能量相当于100亿枚氢弹爆炸。太阳核心会缓慢律动，在聚变加速时扩张，聚变减弱时收缩。除了这种缓慢而深沉的“心跳”，还有其他无数的脉动节奏与之交叠，比如周期为11年的太阳黑子。有些太阳活动的周期要跨越多个世纪。
高能光子从太阳内部穿越由密集的离子和电子形成的“迷宫”来到表层，将核心聚变产生的能量带到外部。这个辐射区的物质密度极大，以至光子需要用10万年以上的时间才能逃逸到外围的对流层，这一段穿越占了从太阳中心到太阳表面之距离的70％。再过大约一个月，光子进入光球层——这一层才是我们日常所见的部分。从光球层出发，光子只需要8分钟即可到达地球，成为普照万物的阳光。
图为：为什么太阳大气距表面远了，温度反而上升，这仍是个谜。日冕中有些区域在太阳爆发时可以达到600万度以上的及高温。
太阳这巨大的热核反应炉当然会产生大量噪音。美国科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心的马克·米施说：“太阳的鸣响就像一口发出上百万种音调的钟。”这些声音会使太阳表面泛起波纹，而科学家通过研究波纹来确定太阳对流层深处的物质流动情况，这就是“日震学”。
图为：2010年11月11日，美国宇航局的太空双探测器STEREO A 和B进入轨道后，使人类首次拥有了近乎完全的太阳表面视野。到2011年6月，这视野中的遗漏之处也被补全。太空天气的观察者们如今可以看到在太阳远端酝酿的活跃区域，从而更准确地预测日冕物质抛射的路线。这种成像技术进步可能意味着下一次猛烈的太阳风暴袭向地球时，我们将争取到生死攸关的预警时间。
[新浪网]
地球磁场发现隐藏入口直通太阳大气层(图)
美国科学家在地球与太阳之间的太空区域发现隐藏的“入口”，被称之为“X点”或者“电子扩散区”
地球磁场能够让飞向地球的粒子发生偏移，但这些入口提供了一条通往地球大气层的直接通道
地球与太阳之间的磁力线，穿过X点
新浪科技讯 北京时间7月6日消息，据国外媒体报道，美国宇航局宣布在地球磁场内发现隐藏的“入口”。这种入口被称之为“X点”或者“电子扩散区”，并非通往其他星系和行星，而是帮助运送来自太阳的磁性带电粒子。飞抵地球后，这些带电粒子会形成绚烂的极光，同时导致地磁暴。
参与此项研究的爱荷华州大学教授杰克-斯库德表示：“我们将这些入口称之为‘X点’或者‘电子扩散区’。地球与太阳的磁场通过这些入口连接在一起，形成一条不受干扰的通道，直通9300万英里(约合1.5亿公里)外的太阳大气层。”
借助于宇航局的太阳磁性与不稳定性研究日光仪望远镜(THEMIS)和欧洲的Cluster太空探测器，科学家发现了X点。这些入口与地球之间的距离在1万到3万英里(约合1.6万到4.8 万公里)之间。2014年，宇航局将执行磁层多尺度任务(MMS)。这项任务将发射4颗探测器，环绕地球轨道，可用于锁定和研究X点。
目前，斯库德和他的研究小组尚不清楚X点的真实身份。观测过程中，他们发现带电粒子穿过X点，导致地球大气层出现电磁现象。斯库德表示：“这些磁性入口不可见，不稳定并且难以捉摸。它们在事前没有警告的情况下打开和闭合，也没有任何路标引导我们走进这些入口。”
一些X点规模很小，很快就消失踪影，其他一些则规模较大，也比较稳定。2014年MMS任务上马后，斯库德和他的研究小组将利用这项太空任务锁定X点。他说：“借助于携带先进观测设备的太空探测器，对磁场和高能带电粒子进行测量，我们能够锁定X点的方位，而后对其进行研究。”(孝文)
[新浪网]
相关报道
天文学家观测到太阳磁场出现“不对称”
腾讯科技讯(古木/编译)据国外媒体报道,大约每11年，太阳磁场就会发生完全的倒转——北磁极变为南磁极，反则亦然。这就好像是一块条状磁铁缓慢损失了磁场，然后获取了方向相反的新磁场，因此正极变成了负极。但是当然了，太阳并不是简单的条形磁场，倒转的原因也与之不同，而更不用提的是在11年活动周期中运动磁场的构型并不容易测量。
2008年（左图），日出卫星在太阳的北半球观测到了大片的负极性（以橙色表示）。2011年，同一区域表现出了较小的斑块，正（蓝色）负极的分布也更加均匀。
然而测量磁场是了解太阳如何（进而是在何时）发生下一次磁极倒转的关键。磁极倒转与最剧烈的太阳活动相合，此时名为“太阳极大”。
虽然太阳周期每11年看起来很规律地展开，在即将发表的两篇论文中，科学家重点描述了这一过程实际上存在多大的不对称性。当前太阳北极的极性看起来减低到了接近0，也就是说，它正处在从北极到南极的翻转当中，不过太阳南极的磁极性刚刚开始减弱。
阿拉巴马州亨茨维尔（Huntsvill）NASA马歇尔太空飞行中心的空间科学家、日本日出太阳卫星的NASA任务科学家乔纳森·瑟坦（Jonathan Cirtain）说：“现在，南北极之间存在着不平衡。北极正在转换过程中，这里提前于南半球，我们不知道其中的原因。”
两篇文章之一使用的是日出卫星的数据，其中给出了极性转换的直接观测。另一篇文章使用了观测太阳极区大气微波辐射来推测表面磁场活动的新方法。文中描述的不对称性与假设太阳南北极同时发生磁极倒转的太阳模型不符。另外两篇文章都认为，太阳北极即将发生磁极倒转，倒转时间要比通行预言多认为的本活动周太阳极大年发生在2013年早得多。最后，日出卫星的直接观测结果还指出，我们需要重新审视某些其他的太阳模型。
由于我们所有的太阳望远镜都差不多是在太阳赤道附近观测太阳，只能斜视极区，测量极区的磁场并不容易，精确测量需要从上方进行。日出卫星可以用进行太阳赤道观测时能够测绘磁场的高分辨率太阳光学望远镜（Solar Optical Telescope）对极地的活动进行年度监测。第二篇文章使用的微波技术使用了在2003年太阳接近极大年时候的发现，也就是随着太阳朝极大年的迈进，在极小年期间集中于低太阳纬度区域的日珥爆发开始向靠近极区的高纬度地区迈进。此外，极区的微波亮度也减弱到了极暗的程度。
是马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）NASA戈达德太空飞行中心的太空科学家纳特·戈帕斯沃米（Nat Gopalswamy）说：“日珥爆发与增强的太阳活动如日冕物质抛射也就是CME相关，因此在高纬度区域发生的CME也意味着即将到来的太阳极大。当我们在太阳纬度超过60度的区域观测到日珥爆发的时候，我们知道太阳极大即将来临。”戈帕斯沃米是微波观测论文的第一作者，文章发表在2012年4月11日的《天体物理学报》杂志上。
这两张日出卫星获取的影像展示了2009年（左图）与2011年（右图）太阳南半球的磁场。大型蓝色斑块表示具有正极性的区域，它们在2011年仍旧存在。
为了寻找极区附近的日珥爆发，戈帕斯沃米与他的小组使用日本野边山太阳射电天文台望远镜以及ESA与NASA合作的太阳和日球层观测平台（SOHO）的观测。他们在微波波段观测了太阳，这样可以观测太阳表面之上的大气（色球层）。戈帕斯沃米开发了精确的方法，可以用微波辐射来测量太阳表面极区附近的磁场活动。通过测量色球层的微波亮度，科学家得出的结论是，北极附近的磁场强度已经降低到了上次太阳极大周的临界之下，这说明太阳极大即将来临。这一结论得到了北半球高纬度地区正在发生日珥爆发的支持。然而南半球的爆发刚刚开始增强——2012年3月初，这里发生了第一次CME。
日出卫星的数据也表明了如此的南北差异。日本理化研究所的太阳物理学家盐田大幸（Daikou Shiota）领导的小组汇报了日出的结果，文章刚刚提交给了《天体物理学报》出版。自从2008年9月起，盐田大幸与他的小组就开始使用日出卫星对太阳进行每月一次的极区磁图观测。早期的磁图给出了大型强磁场的集中，几乎这些磁场都具有负极性。然而新近的磁图给出了不同的景象。不光是磁场斑块更小更弱了，大量的正极性也可以看到了。当初具有强负极性的北极现在是微弱磁化的，混合的极性会被中和，这正是太阳极大期间发生的情况，根据小组的预言，这将发生在一个月之内。
瑟坦说：“这是第一次对磁极倒转的直接观测。对于了解造就太阳周期的磁活动来说，这至关重要。”
泰德·塔贝尔（Ted Tarbell）是加州帕洛阿尔托（Palo Alto）市洛克希德—马丁公司日出太阳光学望远镜的首席研究员，他指出，直接测量展示了正在进行中的极性反转，并强调了2008年活动周的早期情况。典型的磁极倒转模型认为活动区沿赤道自转，它们更高的拖尾边缘（几乎时刻都与所处半球极地的极性相反）向上漂移，最终主导现状，将正极倒转为负极，或将负极转为正极。日出的数据表明，北极这样的转变有可能发生在漂移之前。
塔贝尔说：“于我而言，这是日出卫星论文中最有意思的东西。在太阳周期开始之前，也就是说在低纬度地区活动性还没有增强之前，极性反转是如何这么早就发生的呢？”
塔贝尔认为，这些观测意味着这一模型可能也需要被重新审视。
当然，当更新更好的数据被采集到之后，对模型的这些变动是在意料之中的。实际上，戈帕斯沃米微波观测论文的合作者、NASA马歇尔中心的太阳物理学家戴维·哈瑟维（David Hathaway）指出，太阳上存在不对称性的观点并不是全新的。其他工作最近也强调了此等不对称性迹象的存在，这意味着，比如当前太阳北半球会存在比南半球更多的黑子。哈瑟维说：“不过大多数完善的模型并没有考虑不对称性。考虑了对称性的更复杂的模型确实存在，不过它们在其他方面与观测不符。”
使用最好的设备以及新的分析技术针对这些差异进行的后续研究将帮助我们扩展并增进对太阳与其11年活动周连带其表面大型喷发的了解。
科学家还将继续关注当前的活动周，也就是第24太阳活动周，由于北半球的极性反转早于预期，这同样意味着本活动周从黑子数量和太阳活动数量上来看相对很弱。
[腾讯网]