面對太陽災害的地球保衞戰_風聞

原創：牧夫天文

綜合編譯：毛明遠

來源：www.forbes.com宇宙爆炸專欄，作者：Ethan Siegel

校對：牧夫天文校對組

後期：庫特莉亞芙卡，李子琦

責任編輯：毛明遠

封面圖片

美國國家科學基金會(NSF)的DKIST太陽望遠鏡“開光”

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

2019年12月12日，世界上最強大的太陽天文台“開光”了，它就是美國國家科學基金會(NSF)位於夏威夷的丹尼爾井上太陽望遠鏡(Daniel K. Inouye Solar Telescope, 簡稱DKIST，為紀念已故夏威夷州參議員Daniel Ken Inouye命名)。這個主鏡4米的特殊偏心望遠鏡可以分辨太陽表面尺度為30km的結構。封面圖片展示了DKIST在2020年1月29日的觀測情況，可以看到閃耀的黃金顆粒狀太陽結構，每個顆粒大概相當於青海大小。這個太陽望遠鏡遠不止提供太陽高清影像這麼簡單，它是科學家面對太陽災害保衞地球的重要科研設備之一，它能夠幫助我們避免太陽耀斑事件可能造成的數萬億美元損失。

2019年日全食由超過2000張照片合成而來的日冕圖片

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

回顧歷史，早前科學家觀測到的太陽現象不外乎：陽光、太陽黑子以及日全食期間的日冕。但到了1859年，太陽天文學家理查德·卡林頓(Richard Carrington)觀測到一個非同尋常的太陽現象——他在觀察一個較大的不規則黑子時發現一個突發的“白光閃耀”，它劃過太陽黑子並持續了約5分鐘時間。這就是歷史上第一次觀測到的太陽耀斑。18小時後地球上探測到有歷史記載的最強大磁暴。與此同時，大規模的極光出現了，落基山脈的工人看到了極光；非常明亮的極光下甚至可以看報；甚至古巴、夏威夷、墨西哥和哥倫比亞的人們都可以看到明亮的綠色極光。電報系統，甚至是處於關閉狀態，也產生電流，造成火花。

2012年發生的耀斑雖然遠弱於1859年的耀斑事件，但仍可能給地球造成災難性地磁暴。

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

試想一下，如果1859年的太陽耀斑事件發生在高度電氣化的現在，將可能造成數萬億美元的損失。原因就來自耀斑引發的磁暴，直接突破地球磁層，與大氣作用，引發強大的電流，甚至斷開連接的電路都會出現強大電流。因此，太陽物理學的一個關鍵任務就是研究太陽及空間天氣事件造成的磁暴及其危害。DKIST可以觀測太陽的光球層、色球層和日冕的磁場情況，在4米直徑主鏡和5個科研設備(其中4個是分光偏振計)的輔助下，可以測量太陽附近的磁場。

讀者可能會有疑問，為什麼測量太陽磁場能夠預測空間天氣？二十世紀80年代後期，很多人都在談論太陽耀斑，他們認為它是空間天氣的主導因素。事實上，太空天氣並不那麼簡單，有時太陽耀斑會顯著地影響地磁，但有時並不會。直到1995年，美國宇航局SOHO探測器觀測到除了發生在光球層的耀斑，還觀測到一種新的現象——日冕物質拋射(CMEs)，它並不是來自光球層。正如以下動圖展示的由SOHO拍攝的日冕物質拋射。

1998年，美國宇航局SOHO探測器日冕儀下拍攝的太陽日冕物質拋射，它還湊巧捕捉到一顆彗星。

Credit: ESA / NASA / SOHO

當日冕物質拋射到達地球，將帶來顯著的太空天氣事件。而不帶有日冕物質拋射的太陽耀斑並不會產生強烈的磁暴，地球的磁場足以抵禦這一類太陽耀斑事件。這是SOHO探測器告訴我們的！但是很多耀斑伴有日冕物質拋射，特別是附近有日珥的情況。日珥是日冕中物質密集的區域，而典型的日冕物質拋射發生在太陽磁場破壞後的物質噴發時，這就是對地球帶來危害的日冕物質拋射。如果它們正朝向地球，那危害是非常大的。

如果像上圖這樣SOHO捕捉到的日冕物質拋射，我們稱之為環狀日冕拋射，它很有可能就正對着我們而來。

Credit: ESA / NASA / SOHO

即使伴有日冕物質拋射的太陽耀斑發生了，它朝向地球襲來，但地球不一定發生磁暴。地球磁場還是有可能抵禦它們的，這取決於日冕物質拋射與地磁場的作用關係。地球磁場在地磁南北極發出的無形磁力線下保護着地球。就像我們中學試驗中看到的鐵粉中小磁條。如果日冕物質拋射過來與地球磁場相斥，地球磁場就可以抵禦它，但反之就像前文中描述的161年前的事件，日冕物質拋射突破了屏障產生顯著的地磁暴。

來自太陽的帶電粒子在地磁場的作用下向地磁兩極偏移，帶電物質進入大氣層，與大氣作用產生極光。

Credit: NASA

二十一世紀初，我們探測日冕物質拋射的帶電物質磁場使用的探測器位於拉格朗日點L1，如下圖L1位於地球朝向太陽的150萬公里處，這個位置距離地球太近而距離太陽太遠(約1:99)，因此當日冕物質到達L1後僅再需要45分鐘就到達地球，這個預警時間對人們來説是不足的。這就是我們要建造更有效的探測器和望遠鏡來儘可能早地掌握太陽活動的原因。

拉格朗日點L1是太陽探測的理想位置，但它距離地球太近，給地球的預警時間不足。

Credit: NASA

如何降低磁暴的破壞？最簡單的方法是停止供電，並且儘可能切斷線路的各個節點。試想一下，由於電網中存在巨大的電流，如果要逐級全部切斷1個小時時間是不夠的。這就是DKIST太陽望遠鏡的強大之處，它可以直接掌握太陽的磁場情況，提前3天做出預警。

工作中的DKIST太陽望遠鏡，太陽光直接通過開放的圓頂進入主鏡。

Credit: NSO/NSF/AURA

太陽磁場就是太陽活動的關鍵。太陽光球層的活動源於太陽內部源源不斷地能量供應、受制於磁場而形成我們觀測到的物質分佈狀態。

2005年美國宇航局過渡區和日冕探測器(TRACE)拍攝的冕環，它在太陽磁場作用下運動，當冕環“破裂”將發生日冕物質拋射。

Credit: NASA / TRACE

為了更好地掌握太陽對地球的影響，我們需要充分了解以下各層級發射出粒子的行為：

來自光球層；

通過色球層；

到達日冕；

通過太陽到地球的空間；

通過拉格朗日點L1；

到達地球。

科學家通過聯合DKIST太陽望遠鏡、帕克太陽探針(PSP)、昨日發射的太陽軌道器SO以及拉格朗日點L1探測器SOHO和SDO等，我們將迎來太陽-地球磁場相互作用研究的新紀元。NSF的DKIST太陽望遠鏡，不僅能更好地探測米粒組織活動，還有助於研究米粒組織之間間隙中的物理。

儘管巨大的太陽耀斑並不常見，但伴隨日冕物質拋射的強大太陽耀斑是地球人類的巨大潛在威脅，得益於太陽物理和空間天氣學的長足進步，我們防範它們的能力大大提升了！

『天文時刻』 牧夫出品

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DKIST太陽望遠鏡的結構

Credit: NSF/AURA/NATIONAL SOLAR OBSERVATORY