太陽氣象預(yù)報

孫文德

在美國科羅拉多州空間環(huán)境服務(wù)中心的一座大樓里，深藏著一些毫不引人注意的衛(wèi)星天線。進(jìn)進(jìn)出出的技術(shù)人員中有不少人穿著美國空軍的服裝，日夜不停地接收著“天氣”預(yù)報。只不過，他們是從事太陽天氣預(yù)報的太陽觀測師，對科羅拉多州絢麗多彩的天氣不感興趣，卻整天目不轉(zhuǎn)睛地盯著一臺臺計(jì)算太陽上天氣變化的計(jì)算機(jī)監(jiān)視器，不停地審視著從美國、歐洲、日本的政府和軍方1400個研究太陽氣象的數(shù)據(jù)提供單位源源不斷發(fā)來的重要信息。它們探測的是來自太陽的電磁風(fēng)暴。宇航員和飛機(jī)上的乘客受這些強(qiáng)烈電磁波的輻射，健康就會受到損害。這些電磁風(fēng)暴也會影響旅客通話的手機(jī)和飛行中的人造衛(wèi)星，甚至有可能摧毀變壓器和電力網(wǎng)。

因此，來自每個重要的人造衛(wèi)星、射電望遠(yuǎn)鏡或太陽觀測站的數(shù)據(jù)，對于空間環(huán)境服務(wù)中心的太陽氣象預(yù)報人員來說都是有用的?？臻g環(huán)境服務(wù)中心是美國國家海洋及大氣管理署和美國空軍的前哨站點(diǎn)。它全天24小時工作，旨在設(shè)法屏蔽或過濾掉太陽輻射中最有害的部分，使太陽氣象學(xué)家們能整天安全地注視著他們的“獵物”。太陽預(yù)報員們所追蹤的，有些僅僅是由波形線條組成的從太陽蒸發(fā)出來的叫做太陽風(fēng)的帶電粒子流。

當(dāng)然，太陽技師們所關(guān)注的是太陽整體而不是敘述它的美麗。他們注視著叫做太陽黑子的小斑點(diǎn)。與地球上的颶風(fēng)不同，這些斑點(diǎn)區(qū)域沒有名稱，只有編號。前不久的一天早晨，技術(shù)人員注視著的是編號為AR8739和AR8742的兩個活動區(qū)域。太陽預(yù)報者們?yōu)槭裁磳Ｗ⒂谔柋砻娴倪@種“黑痣”呢?因?yàn)樘柧蛯⒌竭_(dá)其11年活動周期的頂峰。太陽看上去是在穩(wěn)定地發(fā)光，但每隔11年，它會像一口沸騰的大鍋一樣，煙氣滾滾，飛沫四濺。

1989年3月，太陽一個活動區(qū)域AR5395的爆發(fā)，導(dǎo)致加拿大魁北克省供電中斷達(dá)9小時之久，使600萬人在黑暗中冷得瑟瑟發(fā)抖。那時正值前次太陽活動周期的高峰，在美國和瑞典也都發(fā)生了斷電事件。新澤西州一座核電站的變壓器被徹底破壞，不得不換裝一臺新的變壓器。

那時，高級太陽預(yù)報技師加里·赫克曼是空間環(huán)境服務(wù)中心的管理人員，他正在為預(yù)報工作臺配備人員。那時和現(xiàn)在一樣，預(yù)報工作臺就像一個票據(jù)交換所，什么事情都通過電話聯(lián)系，白天黑夜都有人守在電話機(jī)旁。從1965年開始就干起預(yù)報太陽氣象的赫克曼，當(dāng)時接到來自加拿大北極地區(qū)一個軍官的電話：“太陽真的出現(xiàn)了一個大耀斑。我們正在受到太陽風(fēng)暴的襲擊，但確切時間難以預(yù)測?！?/p>

1989年的太陽風(fēng)暴事件使空間環(huán)境服務(wù)中心啟用了對地靜止環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星。果然，該衛(wèi)星很快便探測到自太陽涌來的強(qiáng)烈X射線。更多的耀斑出現(xiàn)了，其中的一個竟持續(xù)12小時，這是從未有過的。“這就如同在一個地方觀看到了連續(xù)幾個小時不斷的閃電，”赫克曼說：“許多人試圖了解這次耀斑的出現(xiàn)對人造衛(wèi)星、信息渠道、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他各方面會帶來哪些問題。在預(yù)報中心，我們超負(fù)荷地工作，接待這些訪問。這類詢問持續(xù)了半個月之久。與此同時，空間跟蹤操作人員給所有空間位置出現(xiàn)偏差的人造衛(wèi)星進(jìn)行了重新定位。”這時，為了預(yù)防出事，各有關(guān)工業(yè)企業(yè)也做了不少的準(zhǔn)備工作。

由于太陽內(nèi)部活動的復(fù)雜性，我們又缺乏足夠的信息，太陽氣象的預(yù)報不可能總是像預(yù)報地球上的天氣那樣準(zhǔn)確?？臻g環(huán)境服務(wù)中心的預(yù)報人員雖然小心謹(jǐn)慎，但仍漏報過較大的事件，也偶爾出現(xiàn)過錯誤的預(yù)報。

正如太陽預(yù)報工作領(lǐng)導(dǎo)人喬·孔切斯指出的那樣，太陽爆發(fā)除了可能導(dǎo)致在兩極區(qū)域出現(xiàn)宏偉壯觀的極光外，在絕大部分時間里對地球沒有直接的影響，但當(dāng)太陽活動達(dá)到最高潮時，太陽周期性變化的磁場強(qiáng)度達(dá)到峰值。歷史清楚地記載著地球上所發(fā)生的一切災(zāi)害。一個特殊的太陽活動區(qū)域會突然向地球方向噴射出幾千億噸的物質(zhì)和足以導(dǎo)致電力網(wǎng)癱瘓的巨大能量，這種大規(guī)模的太陽事件被稱為日冕物質(zhì)拋射。雖然這種可怕的偶發(fā)事件出現(xiàn)的概率不大，但太陽耀斑、太陽黑子和冕洞都會將物質(zhì)或能量甚至將兩者同時向我們拋過來。在正常情況下，太陽每秒發(fā)射出的能量為4×1023千瓦，其中許多能量是我們的肉眼所看不到的。如果把它們都變成“能看見的”，那么太陽的亮度會比現(xiàn)在亮上100億倍。在活動達(dá)到峰值時，它還要通過電磁波譜(X射線、電子、質(zhì)子、中子、伽馬光子)增加其能量輸出。例如，在正常情況下，太陽風(fēng)的傳播速度為每小時約160萬千米，估計(jì)在2000年太陽活動最劇烈時可以達(dá)到上述速度的3倍。

為了盡量減少這場太陽風(fēng)暴所造成的影響，科羅拉多州的太陽觀測師和太陽氣象預(yù)報工作者們通過熱線電話、傳真機(jī)、電子函件和網(wǎng)頁，與最易在太陽風(fēng)暴中遭受損失的單位保持著密切的聯(lián)系。熟練的技術(shù)人員知道，太陽磁性活動最強(qiáng)的時間可能要持續(xù)好幾年，但究竟多長，則不可能像計(jì)算日蝕那樣給出準(zhǔn)確的答案。

雖然對太陽事件的預(yù)報能力還有種種缺陷，但比之最初的太陽黑子尋覓者們來說還是大有進(jìn)步了。公元前800年，中國人便有了關(guān)于太陽黑子的記錄，但限于觀測設(shè)備，未能對太陽黑子做出精確的研究 。直到歐洲文藝復(fù)興時期，意大利科學(xué)家伽利略和另三位歐洲人才用望遠(yuǎn)鏡看到了日面上的斑點(diǎn)。但當(dāng)時對此仍有爭議，因?yàn)橹惺兰o(jì)的歐洲流行著古希臘哲學(xué)家亞里士多德的觀點(diǎn)——太陽是一個不變的、沒有任何缺陷的火球。17世紀(jì)初葉與伽利略同時代的科學(xué)家們更愿意相信太陽是沒有瑕疵的，但太陽黑子的真實(shí)存在卻很快被大家接受了。1947年拍攝到的最大的太陽黑子的面積達(dá)180億平方千米，足以遮住40個地球。即使是一般的太陽黑子，也與地球上的一個大陸不相上下。

太陽黑子的溫度比它們鄰接的太陽表面的溫度約低1800℃，因而顯得暗些。它們的實(shí)際溫度約為4200℃，是太陽上面最冷的場所。但是每個黑子和其他太陽現(xiàn)象的關(guān)鍵都是電磁現(xiàn)象，和地球一樣，帶著電自轉(zhuǎn)的太陽被包裹在一個繭狀的環(huán)形磁場內(nèi)。有的磁場圍繞著太陽，其他的則存在于太陽大氣內(nèi)。在11年的太陽活動周期內(nèi)，有一個科學(xué)家們還不能解釋的時期，此時一些磁力線將它們自己向外推，穿過人們可以見到的太陽大氣的主要層次——光球?qū)印?/p>

“太陽黑子之所以暗黑，是由于磁場抑制了光球深處的熱量通過對流向上傳輸而形成的?！笨死赘瘛さ赂＠姿固剡@樣解釋。他是繞太陽飛行的太陽日光層觀測器衛(wèi)星的常駐觀測者，“那些突然出現(xiàn)的磁力線是肉眼看不見的，但它們刺穿和重新進(jìn)入光球?qū)又幨强吹靡姷?，這是因?yàn)樵谶@些地方，日常的太陽活動過程不那么光焰十足?！?/p>

德福雷斯特說，太陽黑子是成對出現(xiàn)的，酷似磁棒。如果一對黑子中的一個呈北磁極性，那么另一個則是南磁極性。它們?yōu)槭裁春驮鯓有纬扇绱说呐帕心?“坦率地說，對于太陽的有些問題我們還弄不清楚?！彼缡钦f。最驚人的發(fā)現(xiàn)之一是噴射，即氣流。在太陽表層的下面有幾萬千米長的氣體在緩緩流動，這可能有助于說明，在太陽內(nèi)部某些洶涌澎湃的卻是我們看不見的周期性對流，同清晰可見的太陽表面的磁場的不規(guī)則現(xiàn)象(如太陽黑子)之間是有聯(lián)系的。

德福雷斯特說，了解太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的另一個線索可能不是它的發(fā)光情況，而是其響度。太陽像一口敲響的鐘一樣在鳴響，振動來源于其洶涌澎湃的內(nèi)部。“太陽確實(shí)在以聲波的形式振蕩，而且會突然激蕩起近100萬種不同的聲音。聲波來源于光球?qū)酉旅鎸α鲗觾?nèi)氣體對流的激勵，而氣體對流是異常喧鬧的?！庇捎趯α鞯慕Y(jié)果翻騰到光球?qū)樱谔柋砻姹憩F(xiàn)為無數(shù)的光粒狀組織，“這些‘火粒有如美國德克薩斯州那樣大，不停地翻滾并會在5分鐘內(nèi)消失，那種情景是嘈雜的。”

現(xiàn)在我們回到寂靜的空間環(huán)境服務(wù)中心。當(dāng)白天的太陽氣象咨詢工作完畢以后，研究人員還是輕松不起來，他們正在為地球未來的命運(yùn)而困擾著。一位研究人員指著一個太陽黑子說：“我們的任務(wù)是分析它的磁性結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，這幾乎是不可能的，但我們要盡力去做?！边_(dá)不到目的不是他們的過錯，因?yàn)榇蟛糠謹(jǐn)?shù)據(jù)是在地球上收集的，而太陽的活動過程是不可預(yù)見的。