 太阳风暴之日冕物质抛射：此图为SOHO卫星拍摄的日冕物质抛射图，是由中心部分的极紫外波段图像和边缘的白光日冕仪图像合成的。日冕物质抛射是猛烈的太阳爆发活动，往往会对太阳周围的空间天气，甚至地球带来严重的影响。图片来源：APOD 2015年11月4日，瑞典的航空管制人员突然发现他们的飞机信号竟然从雷达屏幕上消失了，空管系统出故障了。空管系统作为指挥中枢，其重要性好比人类的大脑，仅仅一个多小时的故障，就造成了瑞典全国大批航班延误。事后调查发现，这次故障的元凶居然是1.5亿千米之外的一颗恒星——太阳。  图中显示了2003年10月的一次太阳风暴。左上为太阳白光像，可以看到大群的太阳黑子；右上为极紫外波段的太阳图像，可以看到明亮的耀斑；下面两张是日冕仪拍摄的日冕物质抛射图像，图中白色圆圈表示太阳。图片来源：http://thesuntoday.wpengine./wp-content/ uploads/2010/10/flarequad1-1024x957.jpg  现有的和计划中的观测卫星及其所在位置的示意图，虽然图上看着有点挤，但是实际上这些汽车大小的卫星是散布在整个太阳系的。图片来源：http://www.lesia. obspm.fr/IMG/png/flotille.png 太阳是一颗主序恒星，依靠其内部的热核反应稳定地发光发热，但是它的表面却充满了大大小小的活动现象，一些物质和磁场甚至可以从太阳上跑出来，以几百到上千千米每秒的速度在太阳系内横冲直撞。如果这些不速之客冲到地球，和地球自身的磁场打上一架，可能会造成各种各样的麻烦，比如瑞典的空管系统故障。太阳不仅给地球上带来了风霜雨雪等各种天气变化，也时刻影响着地球以外空间的天气状况，许多猛烈的空间天气变化都来自太阳活动，所以被笼统地称为太阳风暴。 对于生活在地面上的人来说，太阳风暴通常是看不见摸不着的，但却能对我们的生活产生影响，有时候这种影响比航班延误还要严重，可以称得上是灾害了。1989年3月太阳打了个大喷嚏，导致加拿大魁北克省电网瘫痪，几百万人陷入黑暗中9个小时之久。2008年美国的一份研究报告估计，如果发生极端恶劣的空间天气灾害，单是美国一年的损失就可达1万~2万亿美元。2016年10月美国发布了《国家空间天气战略》和《国家空间天气行动计划》，以协调全国的力量应对可能出现的空间天气灾害，其中一条就是要提高空间天气预报水平。  由日地关系观测台（STEREO）、太阳和日球层探测器（SOHO）上的七台仪器从三个不同视角拍摄的日冕物质抛射的合成图，图中心橘红色圆球为太阳。图片来源：http://thesuntoday.wpengine./wp-content/uploads/2010/09/ cme_tcd_big2.jpg 我们平时出门要看天气预报，航天员出舱工作则要看空间天气预报。此外，现代社会的各种高技术设施，诸如通讯导航、卫星发射、高纬航班、电网油管等等都离不开空间天气预报。中国气象局国家空间天气监测预警中心每天早上会在其网站上发布未来三天的空间天气预报，相关信息也可在中国天气网空间天气频道进行查询（http://www.weather.com.cn/space/）。 要想做好空间天气预报首先要了解太阳风暴，这就出现了一个问题，太阳风暴到底长啥样呢？对地球上的风暴我们已经相当熟悉了，这是因为有很多气象站、天气雷达、探空气球等等可以实地测量天气状况，甚至可以驾驶观测车辆冲进台风区域采集第一手数据。然而对于太阳风暴，情况就不那么简单了，往往需要用监测卫星或者飞船去太空中采集风暴数据，目前全球现有监测卫星数量十分有限，和辽阔浩瀚的太空一比，那都不是沧海一粟所能形容的，所以无法像在地球上那样看到风暴的全貌。 好在物理规律是放之四海皆准的，太阳上的规律和地球上的规律并没有什么不同。这样一来科学家们可以在物理规律的基础上，借助计算机的帮助，建立数值化的模型，从而计算出太阳风暴的模样。最近美国航天局（NASA）和密歇根大学等机构合作发展了一种新的空间天气模型EEGGL（读音为eagle，即英语中老鹰的意思）。以往的模型是从一些表面现象出发，比如看着有多宽、多长、多亮。但EEGGL模型首次基于基本的物理方程，从密度、温度、速度这些物理参数入手来描述太阳风暴，相当于是从“以貌取人”转变为认识其内在的本质特点。  左图是新模型计算和实际观测结果的比较，中心黑色圆盘代表被挡住的太阳，外围黑白相间的结构就是正在向外抛出的“磁场云团”。左：模型计算的结果，右：实际观测的结果。图片来源：https://www./sites/default/ files/thumbnails/image/cme-model7.gif 太阳风暴一个非常重要的特点就是磁场。磁场最初产生于太阳内部，随后上浮到太阳表面，然后通过太阳活动释放出来。伴随着磁场一起跑出来的还有电子、质子等粒子，有时候会在太空中形成巨大的“磁场云团”。这种云团的尺度通常比地球大得多，判断它是否会冲向地球就是空间天气预报的一项任务，由于太阳和地球这两大天体以及两者之间1.5亿千米的巨大空间都十分复杂，这项预报任务也并不简单，要综合多个卫星和地面望远镜的观测数据、多种模型的计算结果，还要加上预报人员多年积累的经验，才能做出相对准确的判断。 首先，科学家们在两颗太阳观测卫星上放置了名为日冕仪的仪器24小时监测太阳周边，日冕仪可以挡住太阳表面的强光，让太阳最外层暗弱的部分（也就是日冕）显露出来，当看到有类似磁场云团的东西从太阳上被抛出来的时候，就可以开始追踪其运动过程。由于这两颗卫星位于不同的角度，可以用三角定位的方法确定目标的运动轨迹，计算运动速度等参数。由于这种磁场云团的移动和背景磁场相关，所以了解太阳表面及其附近的磁场分布会对估计云团的运动方向很有帮助，这好比提前知道了一个地区的地形地貌，就可以更好地判断洪水会往哪个方向蔓延。接下来，基于物理理论的数值模型可以告诉我们这个磁场云团将如何穿越茫茫太空，是否会到达地球，如果到达地球又将如何跟地球的磁场相互作用。最后，在数据和计算的基础上，预报人员可以预测这一空间天气事件会对我们的生活产生何种影响，并向通讯导航、航空航天、勘探定位、电力系统和社会公众发送预报预警信息。  太阳探测器+飞船的轨道示意图，它将在2024年12月从距离太阳表面不到十个太阳半径的地方飞过。图片来源：http://solarprobe./The-Mission/ images/16-00815_MissionDesign.png  太阳探测器+飞船想象图。图片来源：NASA 科学的一个重要作用是通过寻找规律对将来的事情进行预测，如果空间天气预报结果不够准确，那就说明我们目前对于太阳本身的脾气和地球对此的反应都了解的还不够多。与天气预报相比，空间天气预报还处于幼年阶段，很大程度上要依靠预报员的个人经验，像EEGGL这样的空间天气模型的发展将会逐渐改变这一点，促进空间天气预报由经验预报向数值预报的转变。美国航天局将这些模型放在了网上（http://ccmc.gsfc./），不论是研究人员还是普通公众都可以提交申请运行模型进行计算。此外，美国航天局将在2018年发射一艘名为太阳探测器+的飞船，该飞船会在太阳和地球之间的椭圆形轨道飞行，将成为有史以来离太阳最近的人造航天器，可深入到几十甚至几个太阳半径处的太阳外层大气，在太阳风暴爆发初期对其进行实地探测，届时我们对于太阳风暴的模样将会有更为清晰的了解。 （责任编辑 冯 |
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