太空天氣很難預測——只有一個小時可以防止地球上的災難。

沙丘般的北極光。。

太陽風和地球大氣的相互作用產(chǎn)生了在夜空中翩翩起舞的北極光。

（圖片來源：格雷姆·威普斯）

Martin Gerard Connors，阿薩巴斯卡大學空間科學與物理學教授

天文學前沿的最新發(fā)展使我們能夠觀察到圍繞其他恒星運行的行星具有天氣。事實上，我們已經(jīng)知道我們太陽系中的其他行星也有天氣，在許多情況下比我們自己的還要極端。

我們的生活受到地球天氣短期大氣變化的影響，我們擔心長期氣候變化也會產(chǎn)生巨大影響。最近創(chuàng)造的術語“太空天氣”是指在太空中出現(xiàn)但影響地球及其周圍地區(qū)的效應。

空間天氣比氣象天氣更微妙，通常作用于技術系統(tǒng)，并具有從通信中斷到電網(wǎng)故障的潛在影響。

預測空間天氣的能力是提供警告的重要工具，以便可以嘗試減輕影響，并希望在極端情況下防止災難發(fā)生。

天氣預報的歷史

我們現(xiàn)在習慣于在大約兩周的時間范圍內進行相當準確的大規(guī)模氣象預報。

科學天氣預報起源于大約一個世紀前，“前線”一詞與第一次世界大戰(zhàn)有關。氣象預報基于對基礎理論的深入了解，并被編入在最先進的計算機上運行的大量計算機程序中，并具有大量輸入數(shù)據(jù)。

天氣的重要方面，如水分含量，可以通過連續(xù)監(jiān)測的衛(wèi)星進行測量。其他測量也很容易進行，例如每天發(fā)射近 2,000 個氣象氣球。探索天氣預報的極限引發(fā)了混沌理論，有時被稱為“蝴蝶效應”。錯誤的累積帶來了兩周的實際限制。

相比之下，太空天氣的預測只有提前一小時左右才是真正可靠的！

太陽效應

大多數(shù)太空天氣來自太陽。它的最外層大氣以超音速吹入太空，盡管密度如此之低，以至于行星際空間比我們實驗室認為的真空更稀有。與地球上的風不同，這種太陽風攜帶著磁場。

這比我們在地表用指南針可以探測到的地球自身場要小得多，也比冰箱磁鐵附近的場要小得多，但它可以與地球相互作用，在太空天氣中起著重要作用。

非常稀薄的太陽風，帶有非常微弱的磁場，仍然可以影響地球，部分原因是它與地球周圍的一個大磁泡相互作用，稱為磁層，面積非常大，至少是地表的一百倍我們的星球。

就像幾乎不能移動一根線的微風可以在大帆上移動一艘巨大的帆船一樣，太陽風的影響，通過其直接壓力（如在帆上）或通過其與地球相互作用的磁場，可以是巨大的。

作為起源點，太陽本身就是一團熾熱的氣體和磁場，它們的相互作用是復雜的，有時甚至是爆炸性的。磁場集中在太陽黑子附近，并產(chǎn)生電磁現(xiàn)象，如太陽耀斑（名字說明一切）和日冕物質拋射。就像地球上的龍卷風一樣，我們通常知道什么時候條件有利于這些局部爆炸，但很難進行準確的預測。

即使一旦探測到一個事件，如果向我們的方向射出大量快速、熾熱和稠密的氣體（而這樣的“云”又難以探測到，逆著太陽的眩光向我們襲來），就會有預測其危險性的另一個復雜因素。

檢測磁場

與在氣象學中非常重要的大氣中可檢測的、有時甚至是可見的含水量不同，從太陽噴出的氣體磁場，包括爆炸產(chǎn)生的熾熱和密集的云層，幾乎不可能從遠處檢測到。如果行星際云的磁場方向與撞擊地球磁層屏障的地球自身磁場方向相反，則行星際云的影響會大大增強。在這種情況下，一個被稱為“重新連接”的過程允許云的大部分能量轉移到地球附近的區(qū)域，并主要在夜間積累，盡管云會撞擊在面向太陽的一側。

通過次級過程，通常涉及進一步的重新連接，這種能量會產(chǎn)生空間天氣效應。地球的輻射帶可以被極大地激發(fā)，危及宇航員甚至衛(wèi)星。這些過程也可以產(chǎn)生明亮的極光，其美麗隱藏著危險，因為它們反過來會產(chǎn)生磁場。當跳動的極光使磁場發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生發(fā)電機效應，但與產(chǎn)生我們大部分電力的發(fā)電機不同，來自極光的電場是不受控制的。

極光產(chǎn)生的電場很小，人類感官無法察覺。然而，在一個非常大的區(qū)域內，它們可以建立起來以施加相當大的電壓。正是這種影響對我們最大的基礎設施（例如電網(wǎng)）構成了威脅。為了預測何時會發(fā)生這種情況，我們需要從遠處測量傳入空間云中磁場的大小和方向。然而，那個不可見的領域是隱秘的，很難被發(fā)現(xiàn)，直到它接近我們。

衛(wèi)星監(jiān)視器

根據(jù)軌道引力定律，通過直接測量連續(xù)監(jiān)測磁場的衛(wèi)星必須位于距地球約 100 萬英里（160 萬公里）的地方，距離我們和太陽一百倍遠。造成輕微太空天氣影響的磁云通常需要大約三天時間才能從太陽到達地球。來自更大的太陽爆炸的真正危險的云可能只需要一天時間。由于我們的監(jiān)測衛(wèi)星離地球比較近，所以我們最多只能在撞擊前一小時知道關鍵的磁場方向?，F(xiàn)在沒有太多時間來準備脆弱的基礎設施，如電力和通信網(wǎng)絡以及衛(wèi)星，以最好地生存。

由于需要提供更好預警的衛(wèi)星艦隊甚至還沒有在圖紙上，所以面對太空天氣，我們必須依靠運氣。即將到來的太陽活動最大值——太陽表面在一個周期中處于最活躍狀態(tài)，預計將在 2025 年達到頂峰——預計將是溫和的，這可能是一個小小的安慰。

可能是馬克吐溫說過“很難做出預測，尤其是關于未來”，但在太空天氣的情況下確實如此。

BY: Martin Gerard

FY: 李金洋

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