太陽風暴,能像預報天氣那樣預測?

來源︰科技日報作者︰劉海英責任編輯︰王俊
2017-04-13 17:32
太陽表面的冠狀亮點圖像表明,磁化活動會慢慢地掃過太陽,類似地球上的羅斯貝波。

羅斯貝波因地球自轉時不同緯度和高度上的角速度不同而引發。圖片來自網絡。

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人們熱愛太陽光的溫暖,卻往往忽視我們賴以生存的這顆恆星的暴烈。雖遠隔億萬公里,太陽風暴對地球的影響依然巨大,導致的損失難以估量。人類能及時預測太陽風暴,進而降低遭受的損失嗎?美國國家大氣研究中心(NCAR)的一項最新研究成果或為人類預測太陽風暴提供了可能。

NCAR研究人員在近日出版的《自然•天文學》雜志上發表論文稱,太陽上存在類似于地球上行星波一樣的長波,很可能與太陽黑子、耀斑等活動密切相關。這一發現使科學家今後能從一個新角度觀察太陽,更好地研究太陽的活動。

羅斯貝波,極端天氣的背後推手

羅斯貝波是一種行星波,由20世紀最有影響的氣象學家卡爾—古斯塔夫•羅斯貝發現並因而得名。羅斯貝波是地球大氣中的一種非常緩慢的、大尺度的波動,波長(兩個相鄰槽線或脊線之間的距離)達3000千米到10000千米。它因地球自轉時不同緯度和高度上的角速度不同而引發,是地球大氣中自然形成的一種現象。

在地球上,羅斯貝波與大氣噴流的路徑和壓力系統的形成有關,會對大氣氣象造成很大影響,因而成為天氣預報的重要理論依據。也曾有研究認為,北半球與大氣環流模式有關的一些極端天氣,如2010年的俄羅斯熱浪、2013年的歐洲洪水,極有可能與羅斯貝波密切相關。

觀測太陽,科學家等來一個機會

地球上的羅斯貝波形成于大氣中的旋轉流體,而太陽同樣在旋轉,且由于它主要由等離子體組成,在某些方面,就像一個巨大的磁化海洋一樣。因此,在NCAR科學家斯科特•麥金托什看來,太陽上存在羅斯貝波並不奇怪。

但猜測到與實際觀測到完全是兩碼事。長久以來,科學家們並沒有把這種波形區分開來的手段。他們可以利用眾多的衛星全方位地觀測地球,但卻只能站在地球上仰望星空,從一個角度去研究太陽。

這一窘境直到2011年才有所改觀。從2011年到2014年這3年里,科學家們終于找到了一個前所未有的機會,一個一次性全方位觀測太陽大氣的機會。在此期間,他們不僅得到了布設于地球與太陽之間的美國國家航空航天局(NASA)太陽動力觀測站(SDO)的觀測數據,同時還得到了NASA日地關系觀測站(STEREO)任務中兩顆圍繞太陽飛行的航天器的觀測數據。三個觀測台提供了持續的、360度的太陽觀測視角,直到2014年STEREO的一個航天器失去聯系。

結合三顆衛星的數據,科學家們可以看到整個太陽,得以在同一時間進行全面的觀測。NASA戈達德太空飛行中心的SDO項目科學家迪恩•佩斯奈爾說︰“這些數據擴展了我們的研究邊界,對于了解太陽磁場及太陽內部活動至關重要。”

數據挖掘,萬千影像中查找波形

麥金托什和合作者全面挖掘了在這一窗口期收集到的數據,希望能夠看到大尺度波型的出現。

研究小組利用SDO和STEREO儀器拍攝的圖像來識別和跟蹤太陽表面的冠狀亮點。這些亮點分布在整個太陽表面上,並被用來跟蹤、分析太陽大氣的深層運動。他們將合並後的數據繪制在霍夫穆勒圖上,這是一個由氣象學家開發的研究工具,以突出波在地球大氣層中的作用。通過分析,研究人員得出結論,磁化活動會慢慢地掃過太陽,就像在地球上的羅斯貝波一樣。

這一發現使得科學家能將一系列與磁場相關的太陽現象,包括太陽黑子的形成、黑子生命周期、11年太陽周期的起源等聯系起來。麥金托什說︰“所有這些現象可能是‘捆綁’在一起的,但我們需要一個全面的視角來看待它們。我們相信,數十年來人們一直在觀察這些類似羅斯貝波的影響,但卻沒有把它們整合在一起。”

預測風暴,尚需更全方位的觀測

太陽上存在類似羅斯貝波的波動現象,這一發現使科學家可以從新的角度理解太陽的真實情況,而且可以更好地預測太陽的活動。

美國國家科學基金會大氣和地球科學部門項目主管伊利亞•羅塞夫指出,這一發現對太陽風暴的預測至關重要。太陽風暴是空間氣象惡化的主要驅動力,而惡劣的空間氣象會對地球造成嚴重影響,如損壞太空中的衛星,影響通信和導航系統,導致電網停電,其造成的經濟損失每年高達100億美元。

但現在就說人類可以準確預測太陽風暴還為時過早。科學家們還需要更廣的觀測角度和視野,再次對太陽進行全方位的觀測,以更深入地了解這種波的波形和存在的模式。麥金托什說︰“我們需要一個圍繞太陽飛行的宇宙飛船,持續監測太陽磁場的演變。”

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