不安分的太陽：2012迎來太陽活動極大年

　　SDO拍攝到的日冕物質拋射圖
　　

　　
　　SDO與普通電視、高清電視以及其他兩種觀測衛星的解析度對比圖

　　
　　雖然太陽是我們生活中最常見的星體,但人類還從來沒有如此細緻地看到過太陽表面的活動。而自1985年以來,所有可能造成全球變暖的太陽因素都朝著相反的方向發展。
　　
　　嘆為觀止的影像
　　
　　4月下旬,網際網路上出現一批太陽的特寫照片,照片上的太陽烈焰四射,很不安寧,與春季里人們感受到的發出溫和光線的太陽判若雲泥。
　　
　　太陽突然變得暴戾起來了嗎?其實不是。這些照片來自於美國宇航局(NASA)新發射的太陽觀測衛星「太陽動力學天文台」(SDO),它們是迄今獲得的最為震撼的太陽照片。雖然太陽是我們生活中最常見到的星體,但人類還從來沒有如此細緻地看到過太陽表面的活動。SDO於今年2月11日發生升空,運行在36000千米的地球同步軌道,運行壽命為五年。它搭載了三部研究太陽的儀器,能夠不間斷地對太陽進行觀測,照片的清晰度是一台高清電視的10倍。
　　
　　這三部儀器分別是日震和磁場成像器、大氣成像裝置、極紫外測變實驗裝置。其中日震和磁場成像器使用所謂「日震學」的方法來研究太陽內部的構造。就像是地震學家通過地震數據來研究地球內部結構一樣,天體物理學家利用聲波來達到相似的目的。4月8日,SDO觀測到了一次太陽活動。編號1060的太陽黑子釋放了一個小型耀斑,耀斑發出的激波在整個太陽上傳播。SDO的照片清楚地顯示出太陽大氣中的環形磁力線結構(磁環)在激波經過時前後擺動。後來,激波消失在太陽圓面的邊緣。但事情並沒有結束,四個小時之後,在距離耀斑發生位置20萬千米的地方,一個大型的日珥拋射出來。
　　
　　科學家認為,這個日珥的出現並不是一個偶然事件。激波傳播的時候,會破環它所遇到的磁場的穩定性,支撐日珥的磁場被激波打亂了,才出現了這次拋射。「一次看起來並不大的耀斑在傳播的中途引發一次大質量的日珥拋射,這是一種之前未曾預料到的聯繫。當人們充分理解這種現象之後,在空間天氣的預報上可能會出現重要進展。」美國宇航局的一篇文章評論說。SDO項目的科學家認為,SDO在人類認識太陽方面帶來的革新將如同哈勃太空望遠鏡為天體物理學帶來的變革。目前SDO仍然處在調試階段,5月中旬之後將會每日更新太陽照片。
　　
　　在第一批發表的照片和視頻中,太陽的表面向外噴射出的物質就像是一條條的火龍。這種現象叫做「日冕物質拋射」,它是巨大的、攜帶磁力線的泡沫狀氣體,在幾個小時中被從太陽拋射出來的過程。一次日冕物質拋射所拋出的物質的量相當於密西西比河整條河的水量。該現象發生的時候,氣體物質在短短一秒鐘之內被加速到時速一百萬英里。
　　
　　來自太陽的風暴
　　
　　太陽是對地球上的環境和生命影響最大的天體。天文學家們也一直好奇於太陽活動在地球上究竟會產生怎樣的影響。
　　
　　英國18世紀的天文學家威廉·赫歇爾就曾研究過太陽黑子的多寡與小麥價格之間的關係。他發現,在英國,如果某年太陽上出現的黑子比較多,那一年的小麥收成就會很好,由此小麥的價格也會比較低。
　　
　　英國《新科學家》雜誌幻想過這樣的景象:2012年9月22日的午夜,曼哈頓的夜空中出現搖曳的彩光。紐約人幾乎從沒有在如此靠南的緯度上看到過極光。但沒待他們在這罕見的美景中沉浸多久,電燈泡開始明暗閃爍,突然暴亮一下之後便熄滅了。90秒鐘之後,美國東部全部斷電。
　　
　　一年之後,「歐洲、斯堪的納維亞、中國和日本也在努力從這次事件中恢復元氣,它是一次強烈的風暴,來自1.5億千米之外的太陽表面」。
　　
　　這番幻想儘管聽上去十分誇張,但如果美國科學院2008年的報告《惡劣空間天氣事件———理解社會和經濟衝擊》是正確的,那麼類似的場景便是有可能發生的。太陽風暴攜帶了大量的帶電粒子,這些帶電粒子到達地球後會迅速擾亂地球磁場,可以造成通訊系統、GPS衛星失靈,被擾亂的磁場會在遠距離輸電線中產生電流,這些電流可能造成電網癱瘓。
　　
　　歷史上有記載的最嚴重的一次太陽風暴發生在1859年。那次事件以英國業餘天文學家理查德·卡靈頓(RichardCarrington)的名字命名,因為他最早觀察到了太陽上出現的兩道明亮的白光。卡靈頓事件造成了長達八天的惡劣空間天氣。當時甚至有人在赤道附近地區目擊到了極光。
　　
　　《惡劣空間天氣事件》的作者認為,如果卡靈頓事件發生在今天,那麼影響會更嚴重,而且科技越發達的社會受到的影響也越大。因為遠距離輸電線構成了巨大的天線,它們在太陽風暴中會形成電流衝擊變電站。另一方面,包括供水、物流、金融在內的與日常生活息息相關的系統都需要依靠電力,一旦斷電,就是一場災難。它導致的經濟損失可能達到1萬億到2萬億美元。
　　
　　另外,《新科學家》的科幻場景之所以出現在2012年,是因為太陽活動有一個11年的自然周期,2012年剛好是太陽活動極大年。
　　
　　好的消息是,根據美國宇航局的預測,此一輪太陽活動周期中太陽黑子極大值為90,略高於歷史記錄中的最低值78。如果這種預測是正確的,那麼2012年將會經歷一個溫和的太陽活動極大年。但美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)空間天氣預測中心的物理學家道格·畢賽克(DougBiesecker)仍然警告說:「即便是在低於平均值的太陽活動期,惡劣空間天氣現象也有可能出現。比如說1859年的大磁暴發生時的太陽活動水平就與我們預測中的2013年的水平一樣。」
　　
　　太陽活動與冷冬
　　
　　太陽活動對地球造成的另一種可能的影響體現在氣候方面。一些科學家曾經懷疑太陽活動造成了全球變暖,但事實證明,與20世紀全球變暖並不一致的是,自1920年代以來,太陽黑子的數量呈現出減弱的趨勢。
　　
　　2007年發表在《英國皇家學會會報》的一篇論文指出,衛星數據顯示,所有可能造成氣候變暖的太陽因素在1985年之後都在向相反的方向發展。太陽黑子在20世紀中有兩個極大年,一個是1960年,一個是1985年,它的數量在1985年之後在下降。黑子的數量是太陽活躍程度的表徵,數量下降的黑子與全球變暖的趨勢並不一致。另一種說法是宇宙射線有利於雲層的形成,而雲能夠為地球降溫。但研究發現宇宙射線在1985年達到最小,之後的年份里出現上升,這也與全球變暖不一致。還有太陽的亮度,在1977到1985年間曾有上升,但之後也是下降的狀態。「自1985年以來,所有可能造成全球變暖的太陽因素都朝著相反的方向發展。」論文作者之一、英國雷丁大學的邁克·洛克伍德(MikeLockwood)說,「如果它們真的是重要的因素,那麼我們現在就應該在變冷了。」洛克伍德及其同事在今年發表在《環境研究快報》上的一篇新論文中指出,儘管太陽活動並不是影響全球氣候變化的重要因素,但太陽活動的低潮很可能造成了英國和歐洲北部近兩年來的冷冬。
　　
　　洛克伍德等人注意到,在2008年到2009年的大部分時間裡,太陽表面幾乎看不到黑子,太陽磁場對地球的影響也跌至有記錄的150年來的最低點。他們於是拿出英國中部自1659年以來的氣溫記錄,與太陽活動情況進行對照。結果發現,在太陽活動較弱的年份,英國經歷冷冬的可能性就較大。「只有百分之一的可能性這種情況是碰巧出現的。」他們在論文中寫道。
　　
　　他們還將模型中由20世紀工業排放造成的升溫去除,發現太陽活動較弱年份與冷冬之間的統計學關係更加明顯了。他們認為這說明英國的冷冬與全球變暖無關。
　　
　　美國海軍研究實驗室研究日地關係的物理學家朱迪斯·黎恩(JudithLean)在2008年發表的另一項研究的結論與洛克伍德的十分相似。她發現當太陽活動劇烈的時候,北歐的天氣就會比平均狀況要更暖和。
　　
　　洛克伍德和黎恩的研究均是統計結果,其背後的物理解釋目前還不清晰。一種觀點認為,由西吹過大西洋進入北歐的風向的變化造成了冷冬的形成,而風向的變化可能與太陽活動的變化有某種相關性。
　　
　　SOHO的後繼者
　　
　　在SDO這個探測器之前,美國宇航局曾在1995年發射了太陽與太陽風層探測器(SOHO),這架探測器最初計劃的運行時間是兩年,後來持續延長,以期能夠覆蓋太陽活動的11年周期。實際上,過去15年裡我們看到的多數太空中拍攝的太陽照片都來自SOHO。SDO是美國宇航局「與日同在」計劃中發射的第一顆探測器,「與日同在」計劃的目標是理解太陽這顆磁場變化的恆星,測量其對地球上的生活和社會的影響。
　　
　　另一架目前運行中的太陽探測器是美國宇航局2006年發射的日地關係天文台(STEREO),它能夠與SOHO一起從三個角度拍攝太陽的立體圖像。日地關係天文台與SOHO一起能夠更加準確地計算出日冕物質拋射的方向和抵達地球的時間。
　　
　　與這兩架探測器相比,SDO的性能又有了大幅超越,它不但圖像清晰度更高,而且能夠每秒鐘拍攝一張太陽照片。相比之下,STEREO每3分鐘拍攝一張,SOHO每12分鐘拍攝一張。
　　
　　但SOHO迄今仍有一項其他探測器無法超越的強項:它的「廣角和分光日冕觀測儀」中有一塊「遮陽板」,能夠把太陽的主體遮擋起來,讓天文學家看到亮度只有主體千萬分之一的日冕,對日冕物質拋射進行研究。
　　
　　未來幾年,美國宇航局和歐洲空間局計劃發射更多的太陽探測器,研究太陽本身的物理活動以及這些活動與地球的關係。中國的太陽極軌射電望遠鏡計劃在2017年發射,用於連續跟蹤監測日冕物質拋射事件從太陽表面到地球軌道處的傳播與演化。（黃永明）