下一次大型太陽風暴可能摧毀電網——《華爾街日報》

某天清晨醒來，你發現停電了。試圖用手機獲取信息時，又發現網絡中斷。漸漸地你意識到，全美數百萬人正遭遇同樣困境——這場災難將需要數月乃至數年的重建。

一場巨型太陽風暴襲擊了地球。

雖然每年發生如此大規模風暴的概率很低，且其破壞程度將取決於諸多因素（包括當日地球磁場狀態），但約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研究太陽物理的首席科學家伊恩·科恩表示：這類災難終將降臨。

為應對此威脅，由美國及國際政府機構組成的鬆散聯盟，以及數百名相關科學家已着手研究太陽活動預測方法。越來越多科學家主張，人工智能將成為提前預警此類風暴的核心技術。

最危險的太陽風暴被稱為日冕物質拋射——當太陽大氣層中磁場的劇烈變化將巨大帶電粒子團以超音速8000倍的速度拋射而出。這類現象頻繁發生，但只有當其撞擊地球時我們才會察覺。

這些巨大的粒子爆發之所以對我們的電網和電子設備如此危險，是因為當它們與地球相撞時，太陽磁場與地球磁場的相互作用會在地球輸電線中感應出強大電流。如果你曾在科學課上通過來回移動磁鐵使銅線上的燈泡發光，這就是同樣的原理——只不過規模擴大到全球範圍。太陽風暴能在輸電線中感應出足以觸發安全機制的電流，甚至嚴重損壞我們的電力配送基礎設施部件。

2018年，技術人員在佛羅里達州泰特斯維爾肯尼迪航天中心附近檢修NASA帕克太陽探測器。圖片來源：Leif Heimbold/NASA雖然承載互聯網數據的海底光纜本身不傳輸電力，但其內部裝有電信號中繼器。這些中繼器會在光信號傳輸過程中進行增強。若中繼器失效，整條光纜將停止運作。

太陽風暴還會通過引發所謂"殺手電子"激增，威脅地球高軌道衞星（如構成GPS系統的衞星），導致設備損壞甚至完全失效。在近地軌道，太陽風暴會加熱大氣層使其膨脹，增加空氣阻力，致使部分低軌道衞星墜毀。2022年2月就曾因此導致40顆星鏈衞星損毀。

太陽風暴已多次來襲。早在1859年，那場如今被稱為"卡林頓事件"的傳奇風暴爆發時，人類尚未建立起依賴電子設備的現代文明。這場風暴導致極光南至加勒比海地區，電報線路火花四濺，部分電報站起火，北半球電報網絡局部癱瘓。

關於強太陽風暴襲擊地球的頻率，學界觀點不一。科羅拉多大學博爾德分校教授德洛雷斯·克尼普的研究表明，能產生與卡林頓事件同等緯度可見極光的太陽風暴約每60年發生一次。而科恩教授則認為，每150年左右才會出現一次重大太陽風暴。這些差異部分源於我們對"卡林頓級"太陽風暴缺乏正式且精確的定義。

但即便不是最高強度的風暴，也足以對基礎設施造成嚴重破壞。1972年一場太陽風暴曾引爆越南海域約4000枚磁敏水雷，同時短暫干擾了美國國防部衞星系統，使其誤判蘇聯引爆了核彈。1989年的風暴則導致魁北克省停電長達9小時。

我們正進入太陽活動高峯期——2024年中期將達到其11年週期的頂點，這已被證實比過去三十年的太陽週期更為劇烈。正如地球有颶風季，科恩表示我們正在進入"太陽風暴季"。談及下一次大風暴，“雖不至於讓我們退回石器時代，但確實可能發生重大事件”，他補充道，“我們必須做好準備。”

目前，沒有任何預警系統能為我們提供超過幾小時的破壞性太陽風暴預警。若風暴移動速度足夠快，預警時間可能短至15分鐘。最有效的監測設備——美國2015年發射的繞日衞星距離地球比太陽近得多，因此當高速風暴經過其軌道時，我們僅能獲得一小時或更短的預警時間。

歐洲航天局提出了一項新系統，通過將名為"警戒"（Vigil）的衞星送入繞日軌道（其與地球的距離大致等於日地距離），以提供更早預警。該系統有望為即將到來的太陽風暴提供長達五小時的預警——這為採取最關鍵的保護電子設備的措施（即關閉所有設備）爭取了足夠時間。

但若能通過分析現有數據來優化預測呢？這正是前沿開發實驗室（由NASA、美國地質調查局和美國能源部組成的公私合作機構）科學家最新公佈的AI驅動模型的核心構想。該模型運用深度學習技術分析太陽風（通常是從太陽向外流動並穿越太陽系至冥王星軌道之外的穩定粒子流）的運動規律。

研究人員表示，通過利用對太陽風的觀測數據，該模型能夠預測由繞日衞星監測到的即將到來的太陽風暴在地球任意位置引發的“地磁擾動”。這一模型可預判太陽風暴抵達時地球磁場的磁通量變化幅度，進而推算出電力線路及海底互聯網電纜中感應電流的強度。

科羅拉多大學科學家恩里科·坎波雷亞（隸屬於負責太空天氣預測的政府機構——空間天氣預報中心）指出，關於如何運用人工智能更精準預測太陽風暴影響的研究仍處於起步狀態，部分原因在於空間天氣這一學科領域本身尚屬新興。

美國國家太陽天文台天文學家湯姆·沙德表示，構建基於人工智能的空間天氣預測系統需要持續獲取大量高時空分辨率優質數據。而現有太陽觀測設備面臨挑戰——當前多數太陽監測衞星和地面傳感器屬於科學實驗裝置，並非為作為預警系統組成部分而設計的“業務化”設備。

9月18日加拿大阿爾伯塔省福克斯克里克上空出現的極光（亦稱北極光），實為一次日冕物質拋射的產物。圖片來源：喬·馬伊科持續觀測太陽以收集構建各類預測模型所需海量數據的時代即將到來。沙德博士工作的井上建太陽望遠鏡坐落在形成毛伊島主體的哈雷阿卡拉活盾狀火山上，這座2021年投入運行的望遠鏡現已成為全球最強大的太陽持續觀測設備。同年，美國宇航局的帕克太陽探測器成功穿越了日冕層——這個百萬攝氏度高温的煉獄正是太陽風暴的誕生地。

最新研究顯示，帕克探測器一年前曾穿越日冕物質拋射事件。數據分析表明其劇烈程度堪比1859年卡林頓事件，所幸這次爆發發生在太陽背對地球的一側。

更多關鍵數據將由歐空局的"警戒號"航天器、NASA即將接替老化太陽觀測系統的新衞星，以及地面項目如計劃在科羅拉多州博爾德建設的日冕太陽磁場觀測站共同收集。

未來基於人工智能的太陽氣象預警系統的雛形已投入運行。2022年12月上線的DstLive系統運用機器學習技術，將地球磁場狀態與太陽風數據轉化為全球統一的DST指數——可將其視為太陽風暴的"里氏震級"。該指數能提前1至6小時預測太陽風暴對地球的影響強度。

遺憾的是，我們可能只有親身經歷一場重大太陽風暴後，才能真正瞭解這類系統的實際效用。但眾多致力於深入研究此類風暴的科學家正共同努力，試圖讓全世界相信未雨綢繆最符合我們的利益，而早期預警正是其中至關重要的一環。

為此，科恩博士所屬的應用物理實驗室將於2024年初舉辦一場"桌面演習"，模擬強太陽風暴襲擊地球的場景。該演習將匯聚政府機構與外部組織，評估各方應對此類災難的能力。這與將軍們通過兵棋推演判斷台海戰役勝負的演練如出一轍。

從某些方面來看，這場演習的利害關係可能更為重大。

聯繫克里斯托弗·米姆斯請致信[email protected]

本文發表於2023年10月12日印刷版，標題為《太陽風暴或致電網癱瘓 早期預警有望避免混亂》